炭纤维增强金属基复合材科的界面及界面优化-南通*通活性碳纤维有限公司

炭纤维增强金属基复合材科的界面及界面优化

发布时间： 2022/1/20

　　　　　　　　炭纤维增强金属基复合材科的界面及界面优化
　　金属基复合材料界面是其特有的极其重要组成部分，而且金属基复合材料界露的重要性和复杂性使界面优化成为研究炭纤维增强金属基复合材料的首要问题。由于界面的原子结构、化学成分和原子键合不同于界面两侧的增强体和基体，界面的性质与界面两侧有很大的差别，而且在界面上更容易发生化学反应，所以界面对复合材料的性能起着极其重要的作用，有时甚至能起控制作用。金属基复合材料中，增强相和基体的反应界面对复合材料的力学性能如剪切强度、冲击性能和疲劳性能以及物理性能有着重要的影响。
　　通常情况下评价金属基复合材料的界面结构主要从以下几个方面考虑：界面的结合状态，这主要是指基体和增强相之间相互结合的情况；显微结构特征，又包括界面的相组成和结构、界面区的成分及分布、位错密度及其分布等；界面的应力状态，主要是指界面区域的残余应力情况。不同的界面结构情况对材料的性能将会产生不同的影响。通常情况下金属基复合材料的界面可以分为三种类型(如表所示)：
　　　表　金属基复合材料的界面类型　

类型I

类型Ⅱ

类型Ⅲ

纤维与基体互不反应亦不溶解

纤维与基体互不反应但相互溶解

纤维与基体反应形成界面反应层

钨丝／铜

A12 03纤维／铜

硼纤维／铝

不锈钢丝／铝

SiC纤维／铝

硼纤维／镁

镀铬的钨丝／铜

炭纤维／镍

钨丝／镍

合金共晶体丝／同一合金

钨丝／铜一钛合金

炭纤维／铝(大于580度)

A1203纤维／钛

硼纤维／钛

SiC纤维／钛

　　①I类界面。这种界面的特点是增强体与基体互不反应亦互不溶解，界面是平整的，而且只有分子层厚度，除了界面组成物质以外，基本上不含其他物质。
　　②Ⅱ类界面。这类界面的特点是增强体与基体不反应但能互相溶解，界面为原组成物质构成的犬牙交错的溶解扩散界面。
　　③Ⅲ类界面。这类界面的特点是增强体与基体互相反应生成界面反应物，有亚微米尺度的反应物层。
　　根据以上三种界面的结构类型划分，金属基复合材料界面的结合形式有五种：即机械结合(I类界面)、溶解和浸润结合(Ⅱ类界面)、反应结合(Ⅲ类界面)、氧化结合以及混合结合(工、Ⅱ、Ⅲ类界面混合)。其中，机械结合是指借助材瓣表面的粗糙状态产生的机械咬合，以及基体的收缩应力来包紧纤维产生的摩擦结合，这种结合与化学作用无关，纯属物理作用，结合强度的大小与纤维表面的粗糙程度有很大关系。反应结合的特征是在纤维与基体之间形成新的化合物层，即界面反应层，界面反应层往往不是单一化合物，如硼纤维增强铝合金，在界面反应层内有多种反应产物。
　　类型和用途不同的金属基复合材料界面的作用、最佳界面结构及性能有很大区别。如连续纤维增强和菲连续纤维增强金属基复合材料，最佳界面结合强度差别很大。连续纤维的强度和模量很高，比基体强度和模量要高几倍甚至高一个数量级，纤维是主要承载体，因此要求界面能有效地传递载荷，调节材料内的应力分布，阻止裂纹扩展，使材料获得更好的综合性能。界面结构和性能要满足以上要求，界面结合强度必须适中，过弱不能有效传递载荷，过强会引起脆性断裂，都不能发挥纤维的增强作用。而对于非连续纤维增强的金属基复合材料，基体是主要承载体，增强体的分布基本上是随机的，因此只有强界面结合，才能发挥短纤维的增强作用。
　　界面结合强度、界面脆性相以及界面区的微结构对材料的宏观性能起着重要的作用。界面脱黏可有效地调节材料内应力分布、减缓裂纹端部的应力集中，阻止裂纹向纤维内部扩展，使每根纤维承载均匀，充分发挥出纤维的性能。弱界面结合易造成界面在较低应力作用下发生脱黏，难以有效地传递载荷，纤维的性能未能充分发挥，抗拉强度和弯曲强度等性能均不高。强界面结合时，复合材料呈脆性断裂，界面没有起到调节应力分布的作用，局部的应力集中造成复合材料的低应力破坏。适中的界面结合具有最高的抗拉、抗弯和冲击强度。
　　改善基体与增强体的浸润性、控制界面反应以形成最佳的界面结构是金属基复合材料生产的关键技术问题。界面优化的目标是形成可有效传递载荷、能调节应力分布、阻止裂纹扩展且稳定的界面结构。途径主要有纤维等增强体的表面涂层处理、金属基体合金化及制备工艺方法和参数控制。
　　润湿性对于增强材料与基体的界面结合和合成工艺有很大的关系。液体对固体的润湿性就是液体在固体表面铺开的能力，当金属熔体与增强物之间有良好的浸润性(接触角小于90度)时金属熔体才能自发地渗入增强物的间隙中，基体金属与增强物之间才能实现良好的结合，润湿性越好，固体与液体的结合强度越高。但对于多数金属基复合材料体系，如炭(石墨)-铝、炭(石墨)-镁等复合材料的基体金属与增强物之间浸润性很差。炭(石墨)纤维很细且多以束纤维使用，一束纤维由数百根甚至上千、上万根单纤维组成，金属需渗入到纤维之间的间隙(一般为几微米)中去，浸润性差则难以实现。可以通过如下途径改善润湿性能：
　　①改变增强材料的表面状态及化学成分：对增强材料进行物理清洗(例如加热、真空加热、超声波振荡、激光改性等)、化学清洗、机械和电化学抛光、腐蚀、涂层等。
　　②改变基体金属的化学成分：如果加入元素可以使固液界面能降低，或与强化相或强化相的氧化物发生反应，也可改进润湿性。例如A1-C系中加入Ti、Ta、Nb等元素， Mg-C系中加入Al元素，这些元素可形成碳化物来改进Al对C纤维、Mg对C纤维的润湿性。
　　③提高加工温度或改变环境气氛来改变界面能，改善润湿性。
　　④提高液相压力。