复合材料制备与加工2

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复合材料制备与加工,第二章 复合材料的界面与设计,2.1,复合材料的界面,基体和增强相之间化学成分有显著变化、构成彼此结合的、能传递载荷作用的区域称之为界面。,在许多情况下，界面是具有层次的，即沿界面的法线方向存在具有一定厚度、且成分、组织和性能不同于基体和强化相的区域，而不只是一个简单的接触面。,界面在复合材料中所占的比例很大，在复合材料中有着极为重要的作用。,2.1.1,界面对复合材料性能的影响,具有良好结合强度的界面，可以产生下列强化效应：,（,a,）阻止裂纹的扩展，提高材料的韧性；,（,b,）通过应力传递，使强化相承受较大的外载荷，提高复合材料的承载能力；,（,c,）分散和吸收各种机械冲击和热冲击的能量，提高抗外加冲击的能力；,（,d,）使强化相与基体产生既相互独立又相互协调的作用，弥补各自的缺点，获得新的材料使用性能。,结合强度过高时，反而会使复合材料的强度与韧性下降。,强化相多为强度高而塑性差的材料，当界面结合强度过高时，不利于基体材料的充分塑性变形，容易产生脆性断裂。,影响界面结合强度的因素,（,1,）强化相几何形状、表面形貌与质量,一般认为纤维状的强化相与基体之间的结合强度，比颗粒状的强化相的要好；表面粗糙的强化相与基体之间的结合强度较高。,（,2,）强化相与基体热性能匹配程度,当强化相与基体之间的热膨胀系数相差较大时，在热循环过程中，易在界面产生微裂纹，因而影响界面结合强度。,（,3,）强化相与基体界面的物理与化学性能匹配程度,能否产生界面浸润、扩散或化学反应等作用。,（,4,）制备与成形工艺的选择,制备与成形工艺不同，对界面产生浸润、扩散或化学反应等作用的影响不同。,2.1.2,界面结合形式,一、粘结结合,基体与增强相之间通过粘结作用而形成的一种界面结合形式。,（,1,）表面润湿理论,界面的结合主要依靠液态基体对增强相的润湿作用，,其界面结合模式主要有两种：,机械粘结与物理吸附,。,机械粘结模式认为，固态增强相的表面存在许多微小的凹凸、孔隙与裂纹，液态基体浸入这些微小缺陷中而形成机械铆钉式的结合作用。,物理吸附模式认为，润湿作用的实质，就是基体与增强相之间发生了具有范德华力的物理吸附作用。,（,2,）化学键理论,认为粘结界面上的结合力是由化学键所引起的。当对强化相表面进行处理时，许多情形下就是要在强化相的表面形成涂层,它能与基体和强化相表面之间产生化学作用（如形成共价键），以获得理想的界面粘结强度。,（,3,）可形变层理论,在复合材料在制备过程中，由于强化相与基体的热膨胀系数不同，或由于基体的固化收缩而引起附加应力。附加应力可引起局部应力集中，形成微裂纹，降低复合材料的性能。而对增强相进行某种处理后，复合材料的性能可以得到改善。因而认为这是由于处理剂在强化相表面形成了一层塑性层，可以松弛界面附近应力集中的缘故。,（,4,）扩散层理论,认为界面粘结是由于发生了扩散现象而实现的。,二、溶解结合,溶解结合是基体与强化相之间在充分润湿的情形下产生一定相互溶解的界面结合形式，具有较高的界面结合强度。,但同时由于溶解作用而对强化相产生损伤作用，容易导致纤维增强复合材料中界面的不稳定，复合材料强度下降。,这种情形对于在高温下使用的复合材料尤其严重，因为许多复合材料在常温下界面不发生溶解现象，而在高温下甚至可以产生显著的溶解作用，从而导致复合材料的界面在高温条件下变得非常不稳定，最终导致材料的失效。,三、反应结合,基体与强化相发生化学反应，在界面形成反应物的一种结合形式，称为反应结合。这类结合尤其多见于金属基和陶瓷基复合材料。,形成反应结合的界面结合强度，取决于反应物的种类和反应层的厚度。当反应物为脆性化合物且反应层厚度较大时，由于对强化相（例如纤维）的损伤较大，往往导致复合材料强度的降低。因此，对于反应结合型复合材料，反应层厚度与界面稳定性的控制是非常重要的。,四、混合结合,在实际的分散强化复合材料中，界面的结合往往可能是上述三种基本结合形式的某两种、或三种形式共同产生作用的混合结合形式。例如粘结与溶解、溶解与化学反应等。即使是单一的粘结结合，如上所述，也可能是几种机理（例如机械粘结与扩散）同时发挥作用。,2.1.3,层状（接合型）复合材料的界面,界面结合机理大致分为四种类型：纯机械结合（残余应力结合）、机械粘结、扩散结合、反应结合。,纯机械结合依靠残余应力实现，例如镶套、热装；机械粘结是通过塑性变形等而实现的（如冷变形条件下形成的结合），此时的界面结合形式主要为凹凸界面的相互啮合和原子级金属键合。,当实现复合的塑性变形在一定温度下进行时，异质金属在复合过程中伴随扩散作用，从而使界面结合成为扩散结合形式，一般将其称为冶金结合或金属学结合。,经冷加工复合的层状复合材料，为了获得较高的界面质量，可以通过适当的热处理促进界面的扩散，获得扩散结合界面。,当两种活性较高的金属在较高温度下进行变形复合，或进行热处理时，容易产生界面反应，生成化合物。,通常采用低温复合、或冷变形复合后进行低温扩散热处理等方法予以避免。,2.2,复合材料设计,2.2.1,概述,复合材料设计包括以下几个方面的内容。,(1),性能设计,根据组元的性能、形状、分布与取向、组成比等对复合材料性能的影响规律，设计出所需性能。,复合材料的性能包括三个方面：物理性能、力学性能以及可加工性能。,物理性能包括密度、热容量、线膨胀系数、热传导率以及电磁性能等，其中对于分散强化型复合材料，以密度、热膨胀系数最受重视；,力学性能主要有弹性系数、强度、断裂韧性与耐磨损性能等；,可加工性是指对所制得的复合材料进行二次加工（赋予材料以所需形状或直接加工成制品的塑性变形或机加工）的性能，并影响到后述的经济性。,(2),制备与加工工艺设计,由于复合材料的加工性能一般较差，在进行复合材料的设计时，必须充分考虑制备的难易程度以及后续加工的可能性，在此基础上进行制备与加工工艺的选择或设计。,例如，由于陶瓷复合材料的二次加工性能很差，因此在许多情况下只能采用近终形成形方式，以求尽可能地减少或者省去后续加工量。,(3),经济性,综合考虑原材料成本、制备与加工的难易程度、生产率等因素对复合材料价格的影响。,一般地讲，各种复合材料的制备工艺都比较复杂，对设备的要求高，因而生产效率较低、成本较高。,2.2.2,复合准则,各组元材料的性能与复合材料性能之间的关系称为复合准则（,ROM,：,Rule of mixtures,）。,用于复合材料的弹性系数、强度、导电导热等性能设计的准则，主要有简单复合准则和基于弹性理论的复合准则。,一、简单复合准则,假设复合材料的性能与组元的体积含量成正比：,式中，,P,c,：复合材料的性能指标；,Pi,：,各组元的性能指标；,Vi,：,各组元的体积含量，,Vi,=1,；,N,：,组元的数目；,n,：实验参数，,1,n,1,。,当,n=1,，,N,=2,时，有：,Pc=PmVm,+,PrVr,式中，下标,c,代表复合材料，,m,代表基体，,r,代表强化相。,称为串列模型。,对于层状复合材料，采用两种模型预测各种性能，结果令人满意。,当,n=-1,时，若,N,=2,，则：,上式也称为经典复合准则，实际上是一种简单加和准则。是在考虑单向纤维强化复合材料沿纤维方向的力学性能时总结得到的，也称为并列模型。,二、基于弹性理论的复合准则,推导复合准则时常用解析模型有两相模型和三相模型，两相模型假设与强化相相接触的为强化相体积含量为,V,r,的复合材料，而三相模型假设强化相周围被基体材料所包围，基体材料的周围为复合材料,。,简单复合准则是根据经验确定的，虽然比较直观，但缺乏理论基础，除对于接合型层状复合材料较为适用之外，对于分散强化型复合材料的适用范围有限。,两相模型的平均强化相含量,V,rm,高于实际值,V,r,，而三相模型可通过改变纯基体相的大小使,V,rm,等于实际值,V,r,。,研究表明，在预测弹性模量时，两相模型过高地估计了强化相之间的相互作用效果，而三相模型则往往导致估计过低。,2.2.3,弹性模量,假定强化相为无序配置，将强化相之间的相互作用效果用一定数值进行近似，最终把多体问题化解为单一强化体（一个颗粒或一根纤维）而进行计算。,引入长径比因子,A,s,（,aspect ratio,）来表示强化相的形状。当,A,s,1,时，强化相为椭球体；当,A,s,1,时，强化相为纤维；当,A,s,1,时，强化相为颗粒；而当,A,s,1,时，强化相为片状。,当,A,s,1,时，鲍尔（,Paul,）推导出复合材料弹性模量的预测表达式。他证明：复合材料弹性模量的上下界分别等于简单复合准则当,n=1,和,n=,1,时的值。,Hashin,与,Shtrikman,对鲍尔的解析方法进行改良，获得了更小的上界和更大的下界，即减少了弹性模量预测值的上下界的范围，从理论上讲是提高了预测精度。当强化相为球形时,当强化相为纤维时，,J.C.Halpin,与,Tsai,导出如下计算,2.2.4,强度,材料的强度是组织结构敏感的性能指标，因此，要从理论上正确设计或预测复合材料的强度通常不太容易。较为经典的强度复合准则有所谓,shear lag,模型：,yc=,ym(Vm+VrAs/2),(A),式中，,yc,和,ym,分别表示复合材料和基体材料的屈服应力。该模型的主要考虑对象是以晶须和短纤维为强化相的复合材料。,进一步考虑在基体中纤维两端受到约束作用：,yc=,ym(Vm+Vr,（,As,+2,)/,2,),(B),yc=ym(Vm+VrAs/,2,),(A),yc=ym(Vm+Vr,（,As,+2,)/,2,),(B),式（,A,）或（,B,）所示模型的最大特点是简单，便于应用，在某些情况下式（,B,）的预测值与实际符合得较好。但明显地上述两个模型均没有考虑强化颗粒尺寸（直径）的影响，也不能反应由于复合所引起的基体材料晶粒尺寸与位错密度的变化等对材料强度有明显影响这一因素的效果。,与经典复合准则的强化理论不同，近年来倾向于从微观组织来解释强度变化，即认为强化相的强化机制是如下几个方面综合作用的结果：,位错强化,由于基体与强化相的热膨胀差，引起淬火时位错密度的增加；,颗粒强化,颗粒等强化相对位错的钉扎作用与位错的高密度化；,晶粒与亚晶粒强化,添加细小颗粒导致的晶粒细化，这一点对于采用铸造凝固法制备的颗粒弥散强化金属基复合材料的影响尤为显著。,由于理论预报的局限性，为了进行较精确的强度设计，获得满意的强度预报结果，有计划地开展系列的实验研究，进行数据积累，在此基础上建立较为完备的智能性数据库（例如基于人工神经网络的数据库），是一条行之有效的途径。,2.2.5,韧性,陶瓷材料一般具有强度高、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列的优点，但由于其韧性很低，故应用范围受到很大限制。提高其韧性是陶瓷材料复合化的重要目的之一。因此，韧性设计是陶瓷复合材料研究的最重要课题之一。,陶瓷复合材料的韧化机制分为防护机制（,shielding mechanism,）与非防护机制（,non-shielding mechanism,）两大类。,一、防护机制,防护机制是指可以缓和裂纹尖端的应力集中，从而减缓或阻止裂纹的扩展，提高材料韧性。,1.,桥梁机制,2.,相变机制,具有典型相变韧化机制的是部分稳定,ZrO,2,复合材料（,PSZ,：,Partially Steadied Zirconia,）。,由于在,PSZ,（以立方晶为主）中存在少量不稳定的正方晶,ZrO,2,，裂纹尖端附近应力集中部位将会诱发,t,-ZrO,2,m,-ZrO2,的相变（称为应力诱发型马氏体相变），使体积增加约,5%,。,这种体积增加将在裂纹,尖端附近形成膨胀压缩应,变场，从而导致压应力场,的产生，起到阻碍裂纹扩,展的作用。,3.,微裂纹机制,微裂纹的产生将在其周围产生压应力场，如能在主裂纹（指裂纹的长度超过临界长度而进行扩展的裂纹）尖端附近引入微裂纹，利用其所形成的压应力