纤维增强陶瓷基复合材料的界面问题
纤维增强陶瓷基复合材料的界面问题
增韧机制
纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机理主要包括因模量不同引起的载荷转移、微裂纹增韧、裂纹偏转、纤维脱粘和纤维拔出等。图1a 为典型纤维增强陶瓷基复合材料的应力—应变曲线示意图。
陶瓷基复合材料的破坏过程大致可分为三个阶段：
第一个阶段为OA 段。在此阶段,应力水平较低，复合材料处于线弹性状态。当应力达到A 点时，由于基体所受应力超过基体极限强度，基体出现裂纹，使复合材料的应力—应变曲线开始与线性偏离。
第二个阶段为AB 段。随着应力的提高,基体裂纹越来越大。当应力达到B 点后，复合材料内纤维开始断裂，因此，B点应力即为复合材料的极限强度。
第三个阶段为BC 段。此阶段对应于纤维脱粘、纤维断裂和纤维拔出等过程。图2为纤维增强陶瓷基复合材料增韧过程示意图。由图可见,在轴向应力作用下,纤维增强陶瓷基复合材料的断裂包含基体开裂、基体裂纹逐渐向纤维与基体间界面扩展、纤维脱粘、纤维断裂和纤维拔出等复杂过程。
图2 纤维增强陶瓷基复合材料断裂过程示意图
由于纤维拔出是纤维增强复合材料断裂时的最主要吸能机制，因此，为了提高复合材料的韧性，应尽可能增加材料断裂时的纤维拔出，以求提高纤维的增韧效果。
纤维增强陶瓷基复合材料的界面特性
根据材料的复合原理，在用作结构材料的纤维增强复合材料中，纤维与基体间界面的主要作用有：
(1) 传递作用。由于纤维是主要的载荷承担者,因此界面必须有足够的结合强度来传递载荷，使纤维承受大部分载荷，在基体与纤维之间起到桥梁作用。
(2) 阻断作用。当基体裂纹扩展到纤维与基体间界面时，结合适当的界面能够阻止裂纹扩展或使裂纹发生偏转，从而达到调整界面应力，阻止裂纹向纤维内部扩展的效果。从物理与化学方面来考虑，纤维与基体间热膨胀系数的匹配问题(物理相容性) 、纤维和基体间的化学反应(化学相容性) 以及纤维与基体间的互扩散过程是影响界面特性的主要原因。
复合材料在制备或使用过程中不可避免的要经历高温阶段,因此,纤维与基体间热膨胀系数的匹配程度决定着复合材料中残留热应力的大小,并将影响复合材料的性能。界面残余应力的大小与基体和纤维间的热膨胀系数之差(Δα=αm - αf ) 成正比。
界面的化学相容性主要是指纤维与基体间的化学反应。对于共价性较强的陶瓷基体,如碳化硅、氮化硅和氮化硼等,在高温条件下比较稳定,不易与其它化合物发生反应,但离子性较强的陶瓷基体,如各种氧化物,在高温下很容易与碳、硼等纤维发生反应。如果选用氧化物纤维,则更需避免它与基体间的反应而生成化合物或固溶体。另外,如果在复合材料中添加了烧结助剂,还应考虑烧结助剂与纤维之间的化学反应。
综合纤维增强陶瓷基复合材料中所出现的界面结合方式,可将纤维与基体间界面结合机制分为以下几种:
(1) 机械结合,即摩擦结合。它决定于纤维的比表面和粗糙度。同时,复合材料中的内应力,如纤维
与基体间热膨胀系数不同而产生的残余热应力,也是形成这种结合的重要原因,它在陶瓷基复合
材料中起着很重要的作用;
(2) 化学结合。一般情况下,化学结合导致界面结合很强,并且对纤维造成很大的损伤,因此应尽量避免这种结合;
(3) 互扩散结合。纤维与基体间的互扩散程度主要取决于两者的化学性质,这种互扩散不仅导致纤维与基体间的较强结合,而且还大幅度降低纤维本身的性能;
(4) 物理结合。主要是指范德华力和氢键。
实验证明,以机械结合和物理结合为主的界面结合易使复合材料具有较好的力学性能,因此这两种结合方式是较为理想的界面结合方式。
纤维增强陶瓷基复合材料的界面改性
由于纤维的脱粘与拔出同纤维与基体间的界面特性密切相关,因此,为了使复合材料具有优异的力学性能,复合材料必须满足以下基本条件:
(1) 纤维与基体间界面结合强度适中;
(2) 纤维与基体间的物理相容性好;
(3) 纤维与基体的化学相容性好。
由于高温(800～2000 ℃) 处理是纤维与基体之间产生结合强度的必要过程,因此在复合材料中,纤维与基体间的反应和互扩散作用以及两者之间热膨胀系数的差异等使界面的形状、尺寸、成分和结构等变得十分复杂。一般情况下,如不经过特别处理(如采用纤维涂层等) ,基体对纤维的损伤较为严重,而且纤维与基体间的界面结合也较强(包括物理与化学结合) ,从而导致复合材料呈现脆性断裂。为了获得高性能,特别是高韧性的纤维增强复合材料,必须严格控制纤维与基体间界面结构与性能,使复合材料满足上述基本条件,从而较好的实现纤维补强增韧作用。实验证明,界面改性是目前较为理想的方法。它主要是通过在纤维与基体间形成所设计的界面相来改善纤维与基体的界面特性,使制备的纤维增强复合材料能够满足上述三个条件,从而达到改善复合材料性能的目的。根据纤维增强陶瓷基复合材料对界面相的要求, 理想的界面相应具有以下功能：(1) 松粘层作用。当基体裂纹扩展到界面区时,此界面相能够使裂纹发生偏转,从而达到调整界面应力,阻止裂纹向纤维内部扩展的目的;
(2) 载荷传递作用。由于纤维是主要的载荷承担者,因此界面相必须有足够的强度来传递载荷,使纤维承受大部分载荷;
(3) 缓解层作用。由于纤维与基体间的热膨胀系数(CTE) 差异易导致界面出现残余热应力而影响复合材料的性能,因此,界面相必须具备缓解纤维与基体间界面残余热应力的作用;
(4) 阻挡层作用。高温下基体与纤维之间的互扩散(甚至化学反应) ,不仅使纤维与基体间的界面结合增强,而且导致纤维本身性能大幅度降低,因此,界面相必须具有阻止或抑制纤维与基体间原子互扩散和化学反应的作用。
界面改性的方法主要包括:
(1) 在基体中添加某些组分。利用添加组分在界面处的偏聚来调整基体与纤维间的物理和化学相容性、避免或减小纤维与基体间的有害化学反应,从而达到改善界面特性的作用;
(2) 复合材料制备过程中,在纤维表面原位形成富碳层；
(3) 采用复合纤维(duplex fiber)。复合材料强度对强界面的要求和韧性对弱界面的要求,可以通过
采用复合纤维的方法结合起来。如美国Textron 公司制造的SCS22 和SCS26 纤维。这种复合纤维是在内部纤维芯的外表包了一个鞘层,鞘层与周围基体的结合很强,但内部的纤维芯与鞘层的结合较弱。当复合材料发生断裂时,拔出可以发生在鞘层与芯之间；
(4) 纤维表面涂层。它是根据纤维和基体的特性事先在纤维表面涂敷一层涂层,使其在复合材料中起到界面相作用。如A. Hojima 等人发现纤维含有B4C 涂层的Cf / SiC复合材料与纤维不含涂层的Cf / siC 复合材料在同样的温度处理时,Si 原子几乎不扩散到碳纤维内部,说明B4C 涂层具有很好的阻挡作用,对于改善界面结合和提高纤维强度保留率十分有利。