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2019-07-19 次阅读 行业新闻

耐火纤维补强增韧的基体与界面

  耐火纤维补强用基体主要用于固定和粘附增强体,并将所受的载荷通过界面传递到增强体上,当然自身也承受少量载荷。基体是能起到类似隔膜的作用,将增强体分隔开来,当有的增强体发生损伤和断裂时,裂纹不致从一个增强体传播到另一个增强体。当裂纹碰到增强体的界面相时,如界面相强度远大于基体相,裂纹将绕过界面相,这时的裂纹将消耗能量。如界面相被裂纹穿透碰到增强体时,增强体的强度大于界面体。同理,裂纹还是要绕过增强体,这样又要消耗裂纹的能量,这是耐火纤维增强体增韧基体的基本原理。

  耐火纤维复合材料是由性质和形状各不相同的两种或两种以上材料组元复合而成的,在两种材料之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面-界面。复合材料的界面实质上是具有纳米级以上厚度的界面层,有的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相,称为界面相。在复合材料设计和性能预测、评估时,研究界面作用和影响是一项重要内容。

  在复合材料中界面的作用是非常重要的。在耐火纤维增强复合材料中,界面往往起到把载荷由基体传递到纤维的传递作用。此外,复合材料的界面还起到诱导作用、阻断作用、散射及吸收作用等。

  为了保证界面的作用,纤维与基体之间要有一定的粘结,并且两者之间的结合与增强材料及基体的性质有关。除此之外,复合材料界面的结合方式、界面结构和性质会直接影响和控制复合材料的性能。

  界面的粘结强度是衡星复合材料中增强材料与基体间界面结合状态的一个指标。对于结构复合材料而言,界面粘结强度过高或过弱都不利于材料的力学性能。总的来说,复合材料界面的粘结方式有:机械结合、静电作用、界面扩散和界面反应等。

  所谓机械结合是指增强材料与基体结合时,两种材料的表面相互接触,由于表面的祖糙而产生机械锚固,靠机械摩擦力保持表面的结合。

  静电作用则是指复合材料的增强材料与基体的表面带有异性电荷时,在基体与增强材料之间将发生静电引力,形成两者的结合。因静电作用距离有限,表面的污染会大大减弱这种作用。

  基体与增强材料在复合时,由于复合的条件(温度、压力 等)可以在两种材料表面发生原子或分子的相互扩散甚至溶解,形成扩散或溶解结合。

  同样,增强材料与基体之间的表面原子,在一定的热力学和动力学条件下会发生界面反应,形成不同于原组元成分及结构的界面反应层,这种结合为界面反应结合。

  在复合材料的加工和使用中,基体还能保护增强体免受环境的化学作用和物理损伤等。从增强体在结构复合材料中主要承担载荷角度看,通常要求增强体具有高强度和高模量,增强体的体积分数与基体的结合性能对复合材料的性能起着很大的影响。增强体,基体和界面共同作用,可以改变复合材料的韧性、抗疲劳性能、抗蠕变性能、抗冲击性能及其他性能。界面能起到协调基体和增强体变形的作用,通过界面可将基体的应力传递到增强体上,基体和增强体通过界面发生结合,但结合力的大小要适当,既不能过大,也不能太小,结合力过大会使复合材料韧性下降;结合力过小,起不到传递应力的作用,容易在界面处开裂。

  耐火纤维复合材料在应用的过程中,难免要受冲击载荷或发生高速或高温变形,尤其是那些表观上不会使复合材料遭受破坏的低能冲击,往往会造成复合材料的内部损伤,从而使其性能大大下降。 特别是在热固性树脂为基体或脆性的陶瓷为基体的复合材料中, 增加复合材料的韧性是改善材料性能的重要任务之一。复合材料 在受冲击载荷时材料发生破坏(断裂),其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力。在复合材料中,增强材料与基体在增韧上是如何起作用,经过分析与研究,提出了许多增韧机制。以纤维增强复合材料为例,主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制。耐火纤维增韧补强主要的前提条件是:基体相与增强相和界面相必须存在有机地联系和相互协调的关系,主要有以下几点:

  (1) 要形成复合材料,两种材料必须在界面上建立一定的结合力,界面结合力大致可分为物理结合力和化学结合力。降低界面残余应力,基体改性,纤维表面改性,选择合理的复合工艺和条件等。

  (2) 遵循协同效应思想,即两种或多种因子组合作用效果大于两种或多种因子单独作用效果之和,并力求获得正混杂效应。

  (3) 熔解和浸润结合时,基体能润湿增强体,相互之间发生扩散和熔解形成结合;反应结合时,基体与增强体应能反应生成有利的界面生成物,其厚度须控制在临界厚度以下。

  (4) 如果形成结构复合材料,所选择的增强体力学性能 (强度、模量)一定要大大高于基体。如形成功能复合材料,应该利用有利的复合效应。例如协同效应。

  (5) 复合材料的模量和纤维体积分数成线性变化。纤维排列密的地方,弹性模量高,纤维排列稀的地方,弹性模量低。但是线性关系具有可加性,整体的平均模貴还等于具有相同体积分数均匀排列的复合材料的弹性模量,亦即没有影响。

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