復合材料的界面問題

1  引言
    復合材料是把金屬、無機非金屬、高分子等材料組合起來的一種多相材料,它設計自由度大,不僅可在組分選擇上調整還可以改變各組分的體積百分數以滿足所需性能要求,從而可使復合材料具有輕質高強以及其他優越的綜合性能。它可應用于航天、航空、信息等高技術領域。然而,由于它還存在著不可忽視的界面的問題如界面反應、界面的潤濕性等嚴重限制了其廣泛應用。因此研究復合材料的界面間題具有重要的實際意義。
2  界面問題
2.1  界面反應
    在制備復合材料時,增強體與基體接觸常會發生反應,即界面反應,且這種界面反應是不可避免的,其反應程度對復合材料綜合性能的影響很大,輕微的界面反應能有效地改善基體與增強體的潤濕性和結合強度,是有利的;而嚴重的界面反應將造成增強體的損傷和形成脆性界面相等,是有害的。通常,界面反應是在局部區域中發生的,形成粒狀、棒狀、片狀的反應產物,而不是在基體和增強體接觸的界面上生成層狀物,只有發生嚴重的界面反應時才有。在實際研究和應用中,如SiC顆粒增強AI、Ti基及其合金復合材料的研究。研究發現SiC顆粒增強AI、Ti基及合金復合材料的研究。研究發現SiC顆粒增強AI、Ti基及其合金復合材料都存在界面反應,且影響其性能。同時還發現通過SiC表面氧化、基體熱處理、在復合材料中加入其它物質等手段可以改善增強顆粒與基體的潤濕性,增強界面的結合強度,從而改善復合材料的綜合性能。
2.2  界面的潤濕性及其結合強度
    界面的潤濕性及其結合強度是影響復合材料綜合性能的重要因素,他們既與基體和增強體的相容性密切相關,又與基體和增強體界面反應的強度有關。弱的界面反應是有利于基體和增強體的潤濕、復合及形成佳界面結合;強界面反應有大量的界面反應產物,形成聚集的脆性相和界面反應產物脆性層,造成纖維等增強體嚴重損傷,強度下降,同時形成強界面結合,使材料的綜合性能急劇下降。所以在制備復合材料時,我們要盡量避免如AI4 C3、AIB2、AIB12、MgAI2O等脆性化合物產生,如文獻[2] ,[4],[5]所述。因此,在制備復合材料時,必須采取措施,改善界面的潤濕性,提高其結合強度。
    目前,改善增強顆粒與基體潤濕性的主要途徑有涂層技術、基體中添加合金元素、提高制備溫度等。如內蒙古工業大學劉向東等通過Ce及Mg對SiCP/AI復合材料界面潤濕性的影響進行研究表明,烯土元素Ce主要是通過降低AI液的表面張力作用,從而改善SiCP/Al復合材料界面的潤濕性,但效果不明顯;合金元素Mg是通過基體合金成分的方式抑制嚴重界面反應的進行,從而達到改善其潤濕性的目的,效果非常好。
2.3  界面特性
    在短纖維金屬基復合材料中,載荷是通過纖維與基體的界面傳遞到纖維上的,界面的性質在很大程度上影響金屬基復合材料的力學性能。西北工業大學姜云鵬等對界面特性對短纖維金屬基復合材料蠕變行為的影響進行了研究,結果表明,當界面模量、厚度以及應力指數不同時,纖維中穩定的大軸應力和穩定蠕變率也相應發生變化,界面模量的大小決定界面結合的好壞程度,界面厚度和應力指數的大小很大程度上影響材料的蠕變行為?;诮缑嫣匦詫w維增強鋁合金復合材料的拉伸性能、疲勞性能等的影響、劉政等就界面對纖維增強鋁硅合金復合材料耐磨性的影響進行研究。以上這些都表明界面特性決定了金屬基復合材料的力學性能,同理,界面特性也對其它類復合材料的力學性能有重要的影響,這是目前研究復合材料界面問題的重點,也是難點。
2.4  其它界面問題
    在研究復合材料過程中還常研究其界面電子狀態和晶界偏析(或偏聚)等問題,這對熟悉復合材料的界面結構,研究復合材料的光學、電學、磁學性能有重要的指導意義。
3  結束語
    在研究復合材料的結構與性能時,研究界面問題是非常重要的,它是決定某種復合材料好與壞的一個重要尺度,我們要把復合材料界面問題提升到一個理論水平,從而為今后的研究打好堅實的基礎。