第六章-几种纤维增强树脂复合材料表面和界面.ppt

?＝ ?? r 　　式中，?是摩擦系数，一般为0.1~0.6。 　　此外，基体在高温时呈现为液体(或粘性体)，它也可渗入或浸入纤维表面的缝隙等缺陷处，冷却后形成机械结合。 　　实际上，高温下原子的活性增大，原子的扩散速度较室温大的多，由于增强体与陶瓷基体的原子扩散，在界面上更易形成固溶体和化合物。 　　此时，增强体与基体之间的界面是具有一定厚度的界面反应区，它与基体和增强体都能较好的结合，但通常是脆性的。例如Al2O3/SiO2系中会发生反应形成强的化学键结合。 2、界面的作用 　　对于陶瓷基复合材料来讲，界面粘结性能影响陶瓷基体和复合材料的断裂行为。 　　对于陶瓷基复合材料的界面来说，一方面应强到足以传递轴向载荷，并具有高的横向强度； 　　另一方面，陶瓷基复合材料的界面要弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出。 　　因此，陶瓷基复合材料界面要有一个最佳的界面强度。 　　强的界面粘结往往导致脆性破坏，如下图 (a)所示，裂纹可以在复合材料的任一部位形成，并迅速扩展至复合材料的横截面，导致平面断裂。 纤维 基体 (a)强界面结合 　　平面断裂主要是由于纤维的弹性模量不是大大高于基体，因此在断裂过程中，强的界面结合不产生额外的能量消耗。 　　若界面结合较弱，当基体中的裂纹扩展至纤维时，将导致界面脱粘，其后裂纹发生偏转、裂纹搭桥、纤维断裂以致最后纤维拔出(图 b)。 (b)弱界面结合 a 不良结合 b 结合适中 c结合稍强d结合过强 C/Al MMC不同结合状态下的断口形貌 　　裂纹的偏转、搭桥、断裂以致最后纤维拔出等，这些过程都要吸收能量，从而提高复合材料的断裂韧性，避免了突然的脆性失效。 3、界面性能的改善 　　为获得最佳的界面结合强度，我们常常希望完全避免界面间的化学反应或尽量降低界面间的化学反应程度和范围。 　　在实际应用中，除选择纤维和基体在加工和使用期间能形成稳定的热力学界面外，最常用的方法就是在与基体复合之前，往增强材料表面上沉积一层薄的涂层。 　　C和BN是最常用的涂层，此外还有SiC、ZrO2和SnO2涂层。 　　涂层的厚度通常在0.1~1um，涂层的选择取决于纤维、基体、加工和服役要求。 　　纤维上的涂层除了可以改变复合材料界面结合强度外，对纤维还可起到保护作用，避免在加工和处理过程中造成纤维的机械损坏。 　　下图为莫来石纤维增强玻璃基体复合材料的断裂行为差异。 莫来石纤维上未涂BN涂层 莫来石纤维上涂有BN涂层 　　从图中可看出，若纤维未涂BN涂层，则复合材料的断面呈现为脆性的平面断裂：而经CVD沉积0.2um的BN涂层后，断面上可见到大量的纤维拔出。 莫来石是A12O3一SiO2系中唯一稳定的二元化合物 3. 陶瓷基复合材料的成型加工 1 )纤维增强陶瓷基复合材料的加工; 2) 晶须与颗粒增韧陶瓷基复合材料的加工; 　　纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于多种因素，如基体、纤维及二者之间的结合等。 纤维增强陶瓷基复合材料的加工 　　从基体方面看，与气孔的尺寸及数量，裂纹的大小以及一些其它缺陷有关； 　　从纤维方面来看，则与纤维中的杂质、纤维的氧化程度、损伤及其他固有缺陷有关； 　　从基体与纤维的结合情况上看，则与界面及结合效果、纤维在基体中的取向，以及载体与纤维的热膨胀系数差有关。 　　正因为有如此多的影响因素，所以在实际中针对不同的材料的制作方法也会不同，成型技术的不断研究与改进，正是为了能获得性能更为优良的材料。 　　目前采用的纤维增强陶瓷基复合材料的成型主法主要有以下几种： 1．泥浆烧铸法 　　这种方法是在陶瓷泥浆中分散纤维。然后浇铸在石膏模型中。 　　这种方法比较古老，不受制品形状的限制。但对提高产品性能的效果不显著，成本低，工艺简单，适合于短纤维增强陶瓷基复合材料的制作。 2．热压烧结法 　　将特长纤维切短(3mm)，然后分散并与基体粉末混合，再用热压烧结的方法即可制得高性能的复合材料。 　　这种方法中，纤维与基体之间的结合较好，是目前采用较多的方法。 　　这种短纤维增强体在与基体粉末混合时取向是无序的，但在冷压成型及热压烧结的过程中，短纤维由于在基体压实与致密化过程中沿压力方向转动，所以导致了在最终制得的复合材料中，短纤维沿加压面而择优取向，这也就产生了材料性能上一定程度的各向异性。 纤维层 基体 纤维布层压复合材料示意图 3. 浸渍法 　　这种方法适用于长纤维。首先把纤维编织成所需形状，然后用陶瓷泥浆浸渍，干燥后进行焙烧。 X Y Z 三向C/C编织结构示意图 由于每束纤维呈直线伸展，不存在相互交缠和绕曲，因而使纤维可以充分发挥最大的结构强度。 　　浸渍法的优点是纤维取向可自由调节，如单向排布及多向排布等。 　　浸渍法的缺点则是不能制造大尺寸的制品，而且所得制品的