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炭纖維增強金屬基復(fù)合材科的界面及界面優(yōu)化
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| 發(fā)布時間：
2022/1/20 |
炭纖維增強金屬基復(fù)合材科的界面及界面優(yōu)化
金屬基復(fù)合材料界面是其特有的極其重要組成部分，而且金屬基復(fù)合材料界露的重要性和復(fù)雜性使界面優(yōu)化成為研究炭纖維增強金屬基復(fù)合材料的首要問題。由于界面的原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和原子鍵合不同于界面兩側(cè)的增強體和基體，界面的性質(zhì)與界面兩側(cè)有很大的差別，而且在界面上更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以界面對復(fù)合材料的性能起著極其重要的作用，有時甚至能起控制作用。金屬基復(fù)合材料中，增強相和基體的反應(yīng)界面對復(fù)合材料的力學(xué)性能如剪切強度、沖擊性能和疲勞性能以及物理性能有著重要的影響。
通常情況下評價金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)主要從以下幾個方面考慮：界面的結(jié)合狀態(tài)，這主要是指基體和增強相之間相互結(jié)合的情況；顯微結(jié)構(gòu)特征，又包括界面的相組成和結(jié)構(gòu)、界面區(qū)的成分及分布、位錯密度及其分布等；界面的應(yīng)力狀態(tài)，主要是指界面區(qū)域的殘余應(yīng)力情況。不同的界面結(jié)構(gòu)情況對材料的性能將會產(chǎn)生不同的影響。通常情況下金屬基復(fù)合材料的界面可以分為三種類型(如表所示)：
表 金屬基復(fù)合材料的界面類型 類型I | 類型Ⅱ | 類型Ⅲ | 纖維與基體互不反應(yīng)亦不溶解 | 纖維與基體互不反應(yīng)但相互溶解 | 纖維與基體反應(yīng)形成界面反應(yīng)層 | 鎢絲／銅 A12 03纖維／銅 硼纖維／鋁 不銹鋼絲／鋁 SiC纖維／鋁 硼纖維／鎂 |
鍍鉻的鎢絲／銅 炭纖維／鎳 鎢絲／鎳 合金共晶體絲／同一合金
| 鎢絲／銅一鈦合金 炭纖維／鋁(大于580度) A1203纖維／鈦 硼纖維／鈦 SiC纖維／鈦
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?、冖蝾惤缑?。這類界面的特點是增強體與基體不反應(yīng)但能互相溶解，界面為原組成物質(zhì)構(gòu)成的犬牙交錯的溶解擴散界面。
?、邰箢惤缑?。這類界面的特點是增強體與基體互相反應(yīng)生成界面反應(yīng)物，有亞微米尺度的反應(yīng)物層。
根據(jù)以上三種界面的結(jié)構(gòu)類型劃分，金屬基復(fù)合材料界面的結(jié)合形式有五種：即機械結(jié)合(I類界面)、溶解和浸潤結(jié)合(Ⅱ類界面)、反應(yīng)結(jié)合(Ⅲ類界面)、氧化結(jié)合以及混合結(jié)合(工、Ⅱ、Ⅲ類界面混合)。其中，機械結(jié)合是指借助材瓣表面的粗糙狀態(tài)產(chǎn)生的機械咬合，以及基體的收縮應(yīng)力來包緊纖維產(chǎn)生的摩擦結(jié)合，這種結(jié)合與化學(xué)作用無關(guān)，純屬物理作用，結(jié)合強度的大小與纖維表面的粗糙程度有很大關(guān)系。反應(yīng)結(jié)合的特征是在纖維與基體之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層，界面反應(yīng)層往往不是單一化合物，如硼纖維增強鋁合金，在界面反應(yīng)層內(nèi)有多種反應(yīng)產(chǎn)物。
類型和用途不同的金屬基復(fù)合材料界面的作用、最佳界面結(jié)構(gòu)及性能有很大區(qū)別。如連續(xù)纖維增強和菲連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料，最佳界面結(jié)合強度差別很大。連續(xù)纖維的強度和模量很高，比基體強度和模量要高幾倍甚至高一個數(shù)量級，纖維是主要承載體，因此要求界面能有效地傳遞載荷，調(diào)節(jié)材料內(nèi)的應(yīng)力分布，阻止裂紋擴展，使材料獲得更好的綜合性能。界面結(jié)構(gòu)和性能要滿足以上要求，界面結(jié)合強度必須適中，過弱不能有效傳遞載荷，過強會引起脆性斷裂，都不能發(fā)揮纖維的增強作用。而對于非連續(xù)纖維增強的金屬基復(fù)合材料，基體是主要承載體，增強體的分布基本上是隨機的，因此只有強界面結(jié)合，才能發(fā)揮短纖維的增強作用。
界面結(jié)合強度、界面脆性相以及界面區(qū)的微結(jié)構(gòu)對材料的宏觀性能起著重要的作用。界面脫黏可有效地調(diào)節(jié)材料內(nèi)應(yīng)力分布、減緩裂紋端部的應(yīng)力集中，阻止裂紋向纖維內(nèi)部擴展，使每根纖維承載均勻，充分發(fā)揮出纖維的性能。弱界面結(jié)合易造成界面在較低應(yīng)力作用下發(fā)生脫黏，難以有效地傳遞載荷，纖維的性能未能充分發(fā)揮，抗拉強度和彎曲強度等性能均不高。強界面結(jié)合時，復(fù)合材料呈脆性斷裂，界面沒有起到調(diào)節(jié)應(yīng)力分布的作用，局部的應(yīng)力集中造成復(fù)合材料的低應(yīng)力破壞。適中的界面結(jié)合具有最高的抗拉、抗彎和沖擊強度。
改善基體與增強體的浸潤性、控制界面反應(yīng)以形成最佳的界面結(jié)構(gòu)是金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題。界面優(yōu)化的目標(biāo)是形成可有效傳遞載荷、能調(diào)節(jié)應(yīng)力分布、阻止裂紋擴展且穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。途徑主要有纖維等增強體的表面涂層處理、金屬基體合金化及制備工藝方法和參數(shù)控制。
潤濕性對于增強材料與基體的界面結(jié)合和合成工藝有很大的關(guān)系。液體對固體的潤濕性就是液體在固體表面鋪開的能力，當(dāng)金屬熔體與增強物之間有良好的浸潤性(接觸角小于90度)時金屬熔體才能自發(fā)地滲入增強物的間隙中，基體金屬與增強物之間才能實現(xiàn)良好的結(jié)合，潤濕性越好，固體與液體的結(jié)合強度越高。但對于多數(shù)金屬基復(fù)合材料體系，如炭(石墨)-鋁、炭(石墨)-鎂等復(fù)合材料的基體金屬與增強物之間浸潤性很差。炭(石墨)纖維很細(xì)且多以束纖維使用，一束纖維由數(shù)百根甚至上千、上萬根單纖維組成，金屬需滲入到纖維之間的間隙(一般為幾微米)中去，浸潤性差則難以實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^如下途徑改善潤濕性能：
①改變增強材料的表面狀態(tài)及化學(xué)成分：對增強材料進行物理清洗(例如加熱、真空加熱、超聲波振蕩、激光改性等)、化學(xué)清洗、機械和電化學(xué)拋光、腐蝕、涂層等。
?、诟淖兓w金屬的化學(xué)成分：如果加入元素可以使固液界面能降低，或與強化相或強化相的氧化物發(fā)生反應(yīng)，也可改進潤濕性。例如A1-C系中加入Ti、Ta、Nb等元素， Mg-C系中加入Al元素，這些元素可形成碳化物來改進Al對C纖維、Mg對C纖維的潤濕性。
?、厶岣呒庸囟然蚋淖儹h(huán)境氣氛來改變界面能，改善潤濕性。
?、芴岣咭合鄩毫?。
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