複合材料界面

簡介

複合材料界面是指複合材料的基體與增強材料之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能起載荷等傳遞作用的微小區域。目前的研究尚處於半定量和半經驗的水平上。最早複合材料界面曾被想像成是一層沒有厚度的面(或稱單分子層的面)。而事實上複合材料界面是一層具有一定厚度(納米以上)、結構隨基體和增強體而異、與基體有明顯差別的新相——界面相(或稱界面層)。因為增強體和基體互相接觸時，在一定條件的影響下，可能發生化學反應或物理化學作用，如兩相間元素的互相擴散、溶解，從而產生不同於原來兩相的新相；即使不發生反應、擴散、溶解，也會由於基體的固化、凝固所產生的內應力，或者由於組織結構的誘導效應，導致接近增強體的基體發生結構上的變化或堆砌密度上的變化，從而導致這個局部基體的性能不同於基體的本體性能，形成界面相。界面相也包括在增強體表面上預先塗覆的表面處理劑層和增強體經表面處理工藝而發生反應的表面層。因此，必須建立複合材料界面存在獨立相的新概念。複合材料界面相的結構與性能對複合材料整體的性能影響大。為改善複合材料性能，必須考慮界面設計和控制。結構複合材料界面相存在的殘應力，是由於基體的固化或凝固收縮和兩相間熱膨脹係數的失配而造成的。無論應力大小和方向，都會影響到複合材料受載時的行為，如造成複合材料拉伸和壓縮性能的明顯差異等。結構複合材料界面的作用，是在複合材料受到載荷時把基體上的應力傳遞到增強體上。這就需要界面相有足夠的粘接強度，而兩相表面能夠互相浸潤是先決條件。但是界面層並不是粘接得越強越好，而是要有適當的粘接強度，因為界面相還有另一個作用是在一定應力條件下能夠脫粘，同時使增強體在基體中拔出並互相發生摩擦。這種由脫粘而增大表面能所做的功、拔出功和摩擦功都提高了破壞功，有助於改善複合材料的破壞行為，即提高它的強度。至於功能複合材料界面相的作用，目前尚很少研究，但已有實驗證實，界面相在功能複合材料中的作用也是重要的。表征為了認識界面的作用，了解界面結構對材料整體性能的影響，必須先表征界面相的化學、物理結構，厚度和形貌，粘接強度和殘餘應力等，從而可以尋找它們與複合材料性能之間的關係。界面相化學結構包括組成元素、價態及其分布。其表征可以藉助許多固體物理用的先進儀器，如俄歇電子譜(AES，SAM)、電子探針(EP)、X光電子能譜儀 (X PS)、掃描二次離子質譜儀(S SIMS)、電子能量損失譜儀(EELS，PEELS)、傅立葉紅外光譜(FTIR)、顯微拉曼光譜(MRS)、擴展X射線吸收細微結構譜 (E XAFS)等。由於界面相有時僅為納米級的微區，而且有的組成非常複雜(尤其是金屬和陶瓷基複合材料)，因此迄今還不能說哪一種方法可以滿意地給出有關複合材料界面相全部化學信息。這是因為這些方法有的束斑太大，遠遠超過界面微區的尺寸;有的僅能提供元素的信息而不能知道元素的價態；有的會對某些觀察物造成表面損傷等，存在著各式各樣的局限性。所以仍需研究合適的新方法，或幾種方法的配合使用。界面相形貌和厚度的表征也有不少方法，如透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(S EM)。新方法有角掃描X射線反射譜(GAXP)，可以測定金屬基和陶瓷基複合材料界面相的厚度。但這些方法在測量上也有難度。界面相粘接強度的表征基本上有5種方法，即單絲拔出法、埋入基體的單絲裂斷長度法、微(單絲)壓出法、球形(或錐形)壓頭壓痕法、常規三點彎剪法等。前兩種方法只能表征單絲複合材料的行為；後3種雖是表征複合材料，但又各有不足之處。而且各種方法測出的數據相差甚遠，以球形壓痕法和三點彎剪法數值較高。目前尚難以決定何種方法是最為合適的。此外，還有用動態力學法測定內耗值以表征界面結合狀態的方法。界面湘殘餘應力的表征也很困難。對透明基體和不透明基體都分別有其相應的方法，但是均不理想，同時在計算處理上也較複雜。複合材料界面理論過去對於複合材料界面理論的研究是試圖提出一個能夠適用於各種複合材料的理論，諸如化學反應理論、浸潤理論、可形變層理論、約束層理論、靜電作用理論以及把一些理論結合起來的理論。但它們都有許多矛盾，常不能自圓其說。由於對界面認識的逐步深化，了解到界面相的複雜性與多重性是和原組成材料、加工工藝和使用環境密切有關。因此，理論研究轉向針對某一具體體系，探討界面微結構與巨觀性能的關係，界面浸潤過程和界面反應的熱力學與動力學關係，建立某種體系的界面相模型並作理論處理等。

複合材料界面

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《複合材料界面》

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