[发明专利]一种颗粒增强金属基复合材料界面结合强度的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料界面结合强度的检测方法，具体而言为涉及一种颗粒增强金属基复合材料界面结合强度的检测方法。

技术背景

增强体与基体之间良好的界面结合是获得高性能复合材料的必要条件之一，对于复合材料，通过适当的制备方式改善界面结合就显得非常重要，颗粒增强金属基复合材料具有成本低、综合性能好、导电导热性能优良的特点，受到了材料研究者的广泛关注；颗粒增强金属基复合材料的制备方法主要有两种：铸造法和粉末冶金法；对于铸造法而言，由于陶瓷颗粒与金属熔液之间润湿性较差，因此难以形成良好的界面结合，如果铸造温度较高，增强体与基体之间又容易发生化学反应，从而导致界面结合强度下降；对于常规粉末冶金法而言，界面结合状况通常取决于热压温度和压力，大量试验表明，仅依靠热压工艺参数的优化难以保证形成高结合强度的界面，同时金属粉末表面的氧化物也不利于界面的结合。

复合材料界面结合的重要表征手段是复合材料界面结合强度的检测，对于纤维增强复合材料，目前常用的界面结合强度的检测方法有：纤维拔出法、顶出法，超声波法等，如单纤维顶出法，其基本过程是：在显微镜下确定顶出纤维的位置，然后滑移到金刚石探针的正下方，慢慢对纤维的端部施加轴向载荷，直到这根纤维与周围的基体炭脱粘，记录脱粘时的载荷P_d，之后测量纤维的直径( D)和样品厚度( H )，但是，这些方法并不适合颗粒增强复合材料，主要是由于颗粒增强体的特殊性，尺寸小、各向同性，难以通过通常的纤维增强复合材料界面结合强度检测方法检测，目前，采用颗粒增强复合材料的界面结合强度主要采用间接测量方法，即通过测量宏观力学性能推测界面结合强度。

Sánchez等人（Sánchez J M, el-Mansy S, Sun B, et al. Cross-sectional nanoindentation: a new technique for thin film interfacial adhesion characterization. Acta Materialia, 1999, 47(17): 4405~4413.）提出的涂层界面结合强度的纳米压痕方法对复合材料的界面结合强度检测有一定的借鉴作用，这种方法的基本过程是将纳米压头直接作用在界面上，其表征界面结合强度的参数是界面开裂的临界载荷，该方法对于较厚的涂层比较合适，但是对于较薄的涂层不太适合，因为对于太薄的涂层，不易使压头的中心位置正好控制在界面上，在压入法测量界面结合强度时，至少含有以下两点不足：其一，在压头的附近应力状态非常复杂，产生的边缘效应使得难以精确地计算出实际应力的大小，从现有的成果看，研究者们都采用在压头的附近划分足够精细的网格密度来弥补这一不足，其二，当测量对象为脆性涂层时，有时会出现界面还未开裂，而涂层本身就先开裂了，如果出现这种情形，将给采用有限元计算界面结合强度带来理论建模的复杂性，比如在建模时得考虑涂层动态三维裂纹的扩展模型，计算出涂层裂纹在动态的扩展过程中引起的界面应力场的变化和界面瞬时开裂时界面上对应的应力状态，对于是因为界面结合强度而导致的界面还未开裂而涂层先开裂的情形，压入法也可以从定性的角度去评价该种材料体系的界面结合性能，比如给定压入点的位置、压头形状、载荷大小等参数，去比较产生的界面裂纹的长度。

从以上分析来看，开发新型颗粒增强金属基复合材料界面结合强度检测方法，对于了解界面结合强度、改进复合材料制备工艺具有特别重要的意义，因此非常有必要开发出能直接或者近似直接测量出界面结合强度的新型方法。

发明内容

本发明提出一种通过制备复合材料试样并对颗粒进行剥离的方法检测颗粒增强金属基复合材料界面结合强度的方法，其原理是：通过机械加工方法对复合材料进行加工，打磨抛光，观察并分析颗粒的表面形态，采用垂直加载方式对处于试样45o棱角上的颗粒进行剥离，利用导电胶粘附颗粒并观察颗粒的形态，由颗粒形态和加载过程的应力模拟反推颗粒-基体界面结合强度。

具体而言为：一种颗粒增强金属基复合材料界面结合强度的检测方法，首先通过机械加工方法将颗粒增强金属基复合材料试样加工成便于扫描电镜观察的长方体，沿长方体最短的一条棱将长方体截除一块，截除后保证该棱上的两相邻面呈45o角，并对这两个相邻面进行打磨、抛光，在扫描电镜下采用带导电胶的加载头，以垂直加载方式对处于试样45o棱上的颗粒进行剥离，剥离过程中试样固定在载物台上，剥离出的颗粒粘附在导电胶以观察颗粒的形态，同时确定加载头在颗粒上加载的准确位置，由加载过程的应力模拟结果推出颗粒-基体界面结合强度。