【环氧板】材料的界面相容性

环氧板材料的界面相容性是指在制备、加工和使用过程中，环氧板材料各组元之间的相互配合 程度。这主要包括两大部分单物理 相容性和化学相容性。前者主要是指在应力作用下和温度变化时,材料性能和材料参数之间的关系。这又可以分为力学相容性和热物理相容性。力学相容性主要是指环氧板材料基体应有足够的强度和韧性,可以将外部载荷均匀地传递到增强体上，而不会产生明显的不连续现象。热物理相容性则主要是指基体和增强体在温度变化时相互配合的程度。本章主要介绍物理相容性的热物理相容性问题。环氧板材料的化学相容性相对较为复杂,其中最重要的问题是基体与增强体的化学反应,本章也将对其进行简要介绍

对于大多数的聚合物基环氧板材料.纤维模量远大于其体模量，热膨胀系数又较小科体任 固化时又会产生较大收缩。因此,纤维- 般受压应力,基体受拉应力。缩性能和断裂韧性,热应力严重时还可能使环氧板材料产生翘曲变形,甚至纤维断裂。

对于金属基环氧板材料,若纤维的热膨胀系数小于基体的热膨胀系数,则环氧板材料从制备温度降至室温时.纤维将受压应力，基体受拉应力。这将降低环氧板材料的屈服强度、疲劳强度和断裂韧性等。纤维受压应力时往往不能同时有效承载，导致环氧板材料的实际强度低于按混合法则计算的理论强度。

对于陶瓷基环氧板材料,理想的状况也是承载之前增强体受拉应力,基体受压应力，以提高基体的开裂应力。但纤维的热膨胀系数可能比基体的小或与基体接近，且陶瓷基环氧板材料使用温度-.般较高,从而造成在某一.区间内热物理相容而另-温度区间热物理不相容。而基体的断裂韧性又较低，因而增强体轴向的热失配可能导致基体产生裂纹并损伤增强体。这可能造成陶瓷基环氧板材料的某些性能在高温下反而优于在低温下的性能。例如，对于C/SiC环氧板材料,碳纤维的轴向热膨胀系数为-0.14X10-°~1.7X10-*/C，而SiC的热膨胀系数约为3.5X10-°~6.9X10-/C，大于碳纤维的热膨胀系数。该环氧板材料的制备温度约为1000C，在低温下热失配更严重,甚至基体产生裂纹。由于环境中的氧可通过该裂纹进入环氧板材料内部，氧化环氧板材料内部的碳相,造成C/siC环氧板材料在低温下的抗氧化性能较差。图8-4所示为温度对C/SsC环氧板材料在空气中失重的影响。 可以看出,该材料在600 °C时失重最为严重,抗氧化性最差。

不同增强体和基体的热膨胀系数相差较大，如热膨胀系数(21.6X10-*/K)是SiC纤维(2.3X10-*/K)的9在环氧板材料中产生大的残余应力。因此，在进行环氧板材料设计时，是需要号虑的重要问题,最好选用热膨胀系数接近的材料，温座变北环氧板材料，可以在适部因素。即使较小的温度变化也能产生较大的残余热应力。对于当的温度进行热处理来减小残余热应力。

在其他条件相同的情况下,增强体体积分数是影响环氧板材料残余热应力的主要因素。增强体体积分数越高.环氧板材料残余热应力越大。如果纤维体积分数过高，环氧板材料在制备过程中界面残余应力就会过大，这将导致环氧板材料内部出现损伤。即使没出现损伤，大的残余应力也会显著影响环氧板材料的力学性能。对于金属基环氧板材料,随着纤维体积分数的增加，基体内的残余热应力会使环氧板材料拉伸和压缩时屈服强度的差值增加。对于陶瓷材料，则可能会使基体产生裂纹,产生更为不利的影响。

基体的屈服强度影响残余热应力主要与应力松弛有关。环氧板材料基体应力超过其屈服强度后,基体即可发生塑性变形以松弛残余热应力。显然,基体屈服强度越高，应力越难松弛,残余热应力就越大;基体屈服强度越低,应力就越容易松弛，残余热应力就较小。增强体尺寸和长径比影响残余热应力也与基体应力松弛有关。当增强体长径比较大时,位错运动容易受到阻碍，导致基体应力松弛程度减小，环氧板材料的残余热应力增大。

对于连续纤维增强的环氧板材料,残余热应力还与纤维的取向有关。不同方向的环氧板材料残余热应力有所不同,甚至可能出现较大差别。这主要与纤维轴向和径向热膨胀系数不同有关。例如，碳纤维的轴向热膨胀系数约为-0.14X10-6~1.7X10-8/°C，而径向热膨胀系数可达8.85X10“6/°C。对于晶须或短纤维增强的环氧板材料，残余热应力还和增强体排列规则程度有关。从平均残余热应力来看.增强体混乱分布时的残余热应力略低于增强体规则分布材料的残余热应力。

对于聚合物基环氧板材料,影响残余热应力大小的因素除上述几个因素外还有环境湿度和时间因素。环境湿度主要通过影响聚合物基体的吸潮来影响其性能。在拉伸应力下，聚合物基体的吸潮速度会增加。这将造成基体肿胀.导致应力状态改变。吸潮还能造成聚合物基体的塑性增加，进而影响界面残余应力。空气的湿度也对界面相产生一定的影响.如改变其微结构.进一步影响残余应力。反过来,残余应力也会影响吸湿量,通常残余应力越大,吸湿量越大。另外,聚合物基环氧板材料界面的热残余应力还具有时间依赖性。这主要是因为聚合物基体和纤维/基体界面相具有黏弹性,其性能具有时间依赖性。随着时间延长,基体会表现出应力、应变松弛或蠕变行为。研究表明,聚合物基环氧板材料在制备过程中产生的残应热应力会随着常温湿热条件下的存储时间延长而降低。

由于残余热应力对材料性能有较大影响,因而有时在材料使用前需要对其残余热应力的大小进行测试。残余热应力的测量方法主要分为有损和无损测量两大类。有损测量主要有切槽法钻孔法等;无损测量主要有X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声法以及压痕应变法等。随着对材料研究的深人，不断有学者提出新的测量方法，如西北工业大学超高温结构环氧板材料重点实验室提出通过加载卸载曲线来测量陶瓷基环氧板材料的残余热应力。如图8-5所示，将每个加载卸载迟滞回环的制线反向延长后的交点称为“无残余热应力原点”。通过两个相似三角形(OORG≌OFHG)可以最终计算出材料的残余热应力。

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