第六章金屬基復(fù)合材料的界面及其表征

1、2021年12月28日星期二1第6章 金屬基復(fù)合材料的界面及其優(yōu)化設(shè)計(jì)江蘇大學(xué)江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院2021年12月28日星期二26.1界面的概念 金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體與金屬基體接觸構(gòu)成的界面，是一層具有一定厚度（納米以上）、結(jié)構(gòu)隨基體和增強(qiáng)體而異的、與基體有明顯差別的新相界面相（界面層）。它是增強(qiáng)相和基體相連接的“紐帶”，也是應(yīng)力及其他信息傳遞的橋梁。界面是金屬基復(fù)合材料極為重要的微結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與性能直接影響金屬基復(fù)合材料的性能。2021年12月28日星期二3金屬基復(fù)合材料的基體一般是金屬合金，此種復(fù)合材料的制備需在接近或超過(guò)金屬基體熔點(diǎn)的高溫下進(jìn)行。金屬基體與增強(qiáng)

2、體在高溫復(fù)合時(shí)易發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)；金屬基體在冷卻、凝固、熱處理過(guò)程中還會(huì)發(fā)生元素偏聚、擴(kuò)散、固溶、相變等。這些均使金屬基復(fù)合材料界面區(qū)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。 在金屬基復(fù)合材料界面區(qū)出現(xiàn)材料物理性質(zhì)（如彈性模量、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率、熱力學(xué)參數(shù)）和化學(xué)性質(zhì)等的不連續(xù)性，使增強(qiáng)體與基體金屬形成了熱力學(xué)不平衡的體系。因此，界面的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)金屬基復(fù)合材料中應(yīng)力和應(yīng)變的分布，導(dǎo)熱、導(dǎo)電及熱膨脹性能，載荷傳遞，斷裂過(guò)程都起著決定性作用。6.2界面的特征2021年12月28日星期二4 根據(jù)上面的三種結(jié)合力，金屬基復(fù)合材料中的界面結(jié)合可以分為六種界面的界面的結(jié)合力結(jié)合力有三類(lèi)有三類(lèi)化學(xué)結(jié)合力就是化學(xué)鍵，它在金

3、屬基復(fù)合化學(xué)結(jié)合力就是化學(xué)鍵，它在金屬基復(fù)合材料中有重要作用材料中有重要作用物理結(jié)合力包括范德華力和氫鍵，它存在于物理結(jié)合力包括范德華力和氫鍵，它存在于所有復(fù)合材料中，在聚合物基復(fù)合材料中占所有復(fù)合材料中，在聚合物基復(fù)合材料中占有很重要的地位。有很重要的地位。機(jī)械結(jié)合力就是摩擦力，它決定于增強(qiáng)物的比表機(jī)械結(jié)合力就是摩擦力，它決定于增強(qiáng)物的比表面和粗糙度以及基體的收縮，比表面和粗糙度越面和粗糙度以及基體的收縮，比表面和粗糙度越大，基體收縮越大、摩擦力也越大。機(jī)械結(jié)合力大，基體收縮越大、摩擦力也越大。機(jī)械結(jié)合力存在于所有復(fù)合材料中。存在于所有復(fù)合材料中。6.2.16.2.1界面的結(jié)合機(jī)制界面的結(jié)合

4、機(jī)制2021年12月28日星期二5機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合基體與增強(qiáng)物之間純粹靠機(jī)械連接的一種結(jié)合形式，由基體與增強(qiáng)物之間純粹靠機(jī)械連接的一種結(jié)合形式，由粗糙的增強(qiáng)物表面及基體的收縮產(chǎn)生的摩擦力完成粗糙的增強(qiáng)物表面及基體的收縮產(chǎn)生的摩擦力完成溶解和潤(rùn)濕結(jié)合溶解和潤(rùn)濕結(jié)合基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生潤(rùn)濕，并伴隨一定程度的相互溶基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生潤(rùn)濕，并伴隨一定程度的相互溶解而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式解而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式反應(yīng)結(jié)合反應(yīng)結(jié)合基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物基體與增強(qiáng)物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式交換反應(yīng)結(jié)合交換反應(yīng)結(jié)合基體與增強(qiáng)物之間，除發(fā)

5、生化學(xué)反應(yīng)在界面上形成化合基體與增強(qiáng)物之間，除發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在界面上形成化合物外，還有通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生元素交換的一種結(jié)合形式物外，還有通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生元素交換的一種結(jié)合形式氧化物結(jié)合氧化物結(jié)合這種結(jié)合實(shí)際上是反應(yīng)結(jié)合的一種特殊情況這種結(jié)合實(shí)際上是反應(yīng)結(jié)合的一種特殊情況混合結(jié)合混合結(jié)合這種結(jié)合是最重要、最普遍的結(jié)合形式之一，因?yàn)樵趯?shí)這種結(jié)合是最重要、最普遍的結(jié)合形式之一，因?yàn)樵趯?shí)際的復(fù)合材料中經(jīng)常同時(shí)存在幾種結(jié)合形式際的復(fù)合材料中經(jīng)常同時(shí)存在幾種結(jié)合形式2021年12月28日星期二66.2.26.2.2界面分類(lèi)及界面模型界面分類(lèi)及界面模型6.2.2.1 界面分類(lèi) 上述幾種金屬基復(fù)合材料界面（機(jī)械結(jié)合、溶解

6、與潤(rùn)濕結(jié)合、交換反應(yīng)結(jié)合、氧化物結(jié)合和混合結(jié)合）可以分成I、三種類(lèi)型：I型界面表示增強(qiáng)體與基體金屬既不溶解也不反應(yīng)（包括機(jī)械結(jié)合和氧化物結(jié)合）；型界面表示增強(qiáng)體與基體金屬之間可以溶解，但不反應(yīng)（包括溶解與潤(rùn)濕結(jié)合）；型界面表示增強(qiáng)體與基體之間發(fā)生反應(yīng)并形成化合物（包括交換反應(yīng)結(jié)合和混合結(jié)合）。見(jiàn)表6-1所示。2021年12月28日星期二7表6-1中偽型（pseudo-classsystem）界面的含義是：熱力學(xué)指出，該種體系的增強(qiáng)體與基體之間應(yīng)該發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但基體金屬的氧化膜阻止反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)能否進(jìn)行，取決于氧化膜的完整程度，當(dāng)氧化膜尚完整時(shí)，屬于型界面；當(dāng)工藝過(guò)程中溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

7、而使基體氧化膜破壞時(shí)，組分之間將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)樾徒缑?。具有偽I型界面特征的復(fù)合材料系在工藝上宜采用固態(tài)法（如熱壓、粉末冶金、擴(kuò)散結(jié)合），而不宜采用液態(tài)浸滲法，以免變?yōu)樾徒缑娑鴵p傷增強(qiáng)體。 表6-1金屬基復(fù)合材料體系的界面類(lèi)型界面類(lèi)型界面類(lèi)型體體 系系型型C/CuC/Cu，W/CuW/Cu，AlAl2 2O O3 3/Cu/Cu，AlAl2 2O O3 3/Ag/Ag，B(BN)/AlB(BN)/Al，B/AlB/Al，SiCSiC/Al/Al，不銹鋼，不銹鋼/Al/Al型型W/Cu(CrW/Cu(Cr) )，W/NbW/Nb，C/NiC/Ni，V/NiV/Ni，共晶體，共晶體型型W/Cu(

8、TiW/Cu(Ti) )， C/Al(100) C/Al(100) ， AlAl2 2O O3 3/Ti/Ti，B/TiB/Ti，SiCSiC/Ti/Ti， AlAl2 2O O3 3/Ni/Ni，SiOSiO2 2/Al/Al， B/NiB/Ni，B/FeB/Fe，B/B/不銹鋼不銹鋼注：注：表示偽表示偽型界面；型界面；該體系在低溫下生成該體系在低溫下生成Ni4V；當(dāng)兩組元溶解度極低時(shí)劃為當(dāng)兩組元溶解度極低時(shí)劃為類(lèi)。類(lèi)。2021年12月28日星期二8 PetrasekPetrasek和和WeetonWeeton對(duì)對(duì)W/CuW/Cu復(fù)復(fù)合材料界面的研合材料界面的研究結(jié)果表明，在究結(jié)果表明，在基

9、體銅中加入不基體銅中加入不同合金元素，會(huì)同合金元素，會(huì)出現(xiàn)四種不同的出現(xiàn)四種不同的界面情況界面情況 WfWf/Cu/Cu（CrCr、NbNb）系。合金元素（）系。合金元素（CrCr、NbNb）向向W W絲中擴(kuò)散、溶解并合金化，形成絲中擴(kuò)散、溶解并合金化，形成W W（CrCr、NbNb）固溶體。此種情況對(duì)復(fù)合材料性能）固溶體。此種情況對(duì)復(fù)合材料性能影響不大影響不大WfWf/Cu/Cu（CoCo、AlAl、NiNi）系。由于基體中的合）系。由于基體中的合金元素（金元素（CoCo、AlAl、NiNi）向）向W W絲中擴(kuò)散導(dǎo)致其絲中擴(kuò)散導(dǎo)致其再結(jié)晶溫度下降，使再結(jié)晶溫度下降，使W W絲外表面晶粒因再結(jié)

10、絲外表面晶粒因再結(jié)晶而粗大，結(jié)果導(dǎo)致晶而粗大，結(jié)果導(dǎo)致W W絲變脆。絲變脆。WfWf/Cu/Cu系。在系。在W W絲周?chē)窗l(fā)生絲周?chē)窗l(fā)生W W與與CuCu的相的相互溶解，也未發(fā)生相互間的化學(xué)反應(yīng)?；ト芙猓参窗l(fā)生相互間的化學(xué)反應(yīng)。WfWf/Cu/Cu（TiTi、ZrZr）系。）系。W W與合金元素與合金元素T Ti i與與ZrZr均發(fā)生反應(yīng)，并形成化合物。使復(fù)均發(fā)生反應(yīng)，并形成化合物。使復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性均下降。合材料的強(qiáng)度和塑性均下降。2021年12月28日星期二96.2.2.26.2.2.2在早期的研究中，將復(fù)合材料界面抽象為：界面處無(wú)反應(yīng)、無(wú)溶解，界面厚度為零，復(fù)合材料性能與界面無(wú)關(guān)

11、；稍后，則假設(shè)界面強(qiáng)度大于基體強(qiáng)度，這是所謂的強(qiáng)界面理論。強(qiáng)界面理論認(rèn)為：基體最弱，基體產(chǎn)生的塑性變形將使纖維至纖維的載荷傳遞得以實(shí)現(xiàn)。復(fù)合材料的強(qiáng)度受增強(qiáng)體強(qiáng)度的控制。預(yù)測(cè)復(fù)合材料力學(xué)性能的混合物定律是根據(jù)強(qiáng)界面理論導(dǎo)出的。由上述可見(jiàn)，對(duì)于不同類(lèi)型的界面，應(yīng)當(dāng)有與之相應(yīng)的不同模型。2021年12月28日星期二10 （1）I型復(fù)合材料的界面模型 Cooper和Kelly（1968）提出，I型界面模型是界面存在機(jī)械互鎖，且界面性能與增強(qiáng)體和基體均不相同；復(fù)合材料性能受界面性能的影響，影響程度取決于界面性能與基體、纖維性能差異程度的大小；I型界面模型包括機(jī)械結(jié)合和氧化物結(jié)合兩種界面類(lèi)型。 圖圖6-

12、1 型界面控制型界面控制2021年12月28日星期二112） 、型復(fù)合材料的界面理論模型 、型界面模型認(rèn)為復(fù)合材料的界面具有既不同于基體也不同于增強(qiáng)體的性能，它是有一定厚度的界面帶，界面帶可能是由于元素?cái)U(kuò)散、溶解造成，也可能是由于反應(yīng)造成。 、型界面控制復(fù)合材料的10類(lèi)性能，即基體拉伸強(qiáng)度；復(fù)合材料性能的因素(m)；纖維拉伸強(qiáng)度(f)；反應(yīng)物拉伸強(qiáng)度(r)；基體/反應(yīng)物界面拉伸強(qiáng)度(mi)；纖維/反應(yīng)物界面拉伸強(qiáng)度(fi)；基體剪切強(qiáng)度(m)；纖維剪切強(qiáng)度(fi)；反應(yīng)物剪切強(qiáng)度(r)；基體/反應(yīng)物界面剪切強(qiáng)度(mi)和纖維/反應(yīng)界面剪切強(qiáng)度(fi)，見(jiàn)圖6-2所示。 2021年12月28日星

13、期二12由上述研究結(jié)果可見(jiàn)，在、型界面的復(fù)合材料中，反應(yīng)物裂紋是否對(duì)復(fù)合材料性能發(fā)生影響，取決于反應(yīng)物的厚度。影響反應(yīng)物臨界厚度的因素如下。 基體的彈性極限。 纖維的塑性。2021年12月28日星期二13 例如不銹鋼絲增強(qiáng)鋁復(fù)合材料系中，由于纖維是韌性的，反應(yīng)物裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力集中使纖維發(fā)生塑性變形（產(chǎn)生了滑移帶），見(jiàn)圖6-3所示。又例如，碳纖維增強(qiáng)鋁復(fù)合材料系中，纖維是脆性的，反應(yīng)物裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力集中使纖維斷裂，見(jiàn)圖6-4所示。可見(jiàn)后者的界面反應(yīng)物臨界厚度小于前者。 2021年12月28日星期二146.2.36.2.3界面的物理化學(xué)特性界面的物理化學(xué)特性6.2.3.1 潤(rùn)濕現(xiàn)象 不同的液滴

14、放到不同的固體表面上，有時(shí)液滴會(huì)立即鋪展開(kāi)來(lái)覆蓋固體的表面，這一現(xiàn)象稱(chēng)為潤(rùn)濕現(xiàn)象或浸潤(rùn)；有時(shí)液體仍然團(tuán)聚成球狀不鋪開(kāi)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為潤(rùn)濕不好或不浸潤(rùn)。液態(tài)基體在制造條件下能潤(rùn)濕固態(tài)增強(qiáng)物是制造性能良好的金屬基復(fù)合材料的必要條件。在固體表面上液滴保持力學(xué)平衡時(shí)楊氏方程式成立（見(jiàn)圖6-5）。 圖圖6-5液體對(duì)固體表面的浸潤(rùn)情況液體對(duì)固體表面的浸潤(rùn)情況 2021年12月28日星期二15式中：SV、SL、LV分別為液汽、固汽、表面張力和固液界面張力；液體對(duì)固體的浸潤(rùn)角或接觸角。 若SV SL,則cos90,液體不能潤(rùn)濕固體。當(dāng)180時(shí)，固體表面完全涌被液體潤(rùn)濕，液體呈球狀。 若LV SV-SL，則1co

15、s0,LV，則液體在固體表面完全浸潤(rùn)時(shí)仍未達(dá)到平衡而鋪展開(kāi)來(lái)。SV-SL=LVcos LVSLSVcos （6-3） (6-4)2021年12月28日星期二16液體對(duì)固體吸引力的大小用液體對(duì)固體的粘著功Wa來(lái)表示，粘著功是指將一平方厘米的固一液界面拉開(kāi)所需要作的功，液體對(duì)固體的吸引力越大時(shí)，粘著功也越大。粘著功可表示為：Wa=LV +SV -SL (6-5)Wa=LV +LVcos=LV (1+cos) (6-6) 液體自身的吸引力大小用液體的內(nèi)聚能Wc來(lái)衡量，內(nèi)聚能是指將一平方厘米截面的液體拉開(kāi)時(shí)所需作的功。內(nèi)聚能與界面張力之間的關(guān)系式為:Wc2LV (6-7) 或2021年12月28日星期

16、二17 對(duì)于金屬基復(fù)合材料可以來(lái)取下列措施來(lái)改善金屬基體對(duì)增強(qiáng)物的潤(rùn)濕性。 1）改變?cè)鰪?qiáng)物的表面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)以增大SV； 2) 改變金屬基體的化學(xué)成分以降低SL； 3) 改變溫度； 4) 改變環(huán)境氣氛； 5）提高液相壓力； 6)某些物理方法。 只有當(dāng)粘著功Wa大于內(nèi)聚能Wc時(shí)，液體才能對(duì)固體浸潤(rùn)。Wa與Wc之差定義為液體在固體表面的鋪開(kāi)系數(shù)S， S為正值時(shí)，即S0時(shí)，發(fā)生浸潤(rùn)現(xiàn)象。SWa - Wc=(SV -SL) -LV (6-8) 2021年12月28日星期二181.1.鋁碳系鋁碳系2.2.鋁硼系鋁硼系3.3.鋁碳化硅系鋁碳化硅系 4.4.鋁氧化鋁系鋁氧化鋁系5.5.鋁鐵系鋁鐵系1.1.鈦硼

17、系鈦硼系2.2.鈦碳化硅系鈦碳化硅系3.3.鈦碳系鈦碳系 Click to add Text Click to add Text Click to add Text6.2.3.26.2.3.2基體與增強(qiáng)物之間的化學(xué)相容性基體與增強(qiáng)物之間的化學(xué)相容性1、熱力學(xué)相容性 決定熱力學(xué)相容性的關(guān)鍵因素是溫度，熱力學(xué)相容性溫度比較直觀(guān)的可由相圖得到。但比較實(shí)用的相圖很少，所以具體的復(fù)合材料體系中的相容性問(wèn)題往往只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到解決。下面以幾種常用的金屬基復(fù)合材料為例說(shuō)明。 （1 1）鋁及鋁合）鋁及鋁合金復(fù)合材料金復(fù)合材料（2 2）鈦及鈦合）鈦及鈦合金基復(fù)合材料金基復(fù)合材料(3) (3) 鎳和鎳合鎳和鎳合金

18、基復(fù)合材料金基復(fù)合材料(4) (4) 鎂和鎂合鎂和鎂合金基復(fù)合材料金基復(fù)合材料1.1.鎳鎢系鎳鎢系2.2.鎳鉬系鎳鉬系3.3.鎳碳化硅系鎳碳化硅系4.4.鎳氮化鈦系鎳氮化鈦系5.5.鎳金屬碳化鎳金屬碳化物系物系6.6.鎳碳系鎳碳系1.1.鎂碳系鎂碳系 2.2.鎂硼系鎂硼系2021年12月28日星期二19 復(fù)合材料在熱暴露過(guò)程中拉伸強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系的曲線(xiàn)類(lèi)型如圖6-6所示。若干金屬基復(fù)合材料體系的相容性情況歸納在表6-2中。圖圖6-6復(fù)合材料強(qiáng)度與熱暴露時(shí)間的關(guān)系復(fù)合材料強(qiáng)度與熱暴露時(shí)間的關(guān)系2021年12月28日星期二20表表6-2金屬基復(fù)合材料體系的相容性金屬基復(fù)合材料體系的相容性2021年1

19、2月28日星期二212、動(dòng)力學(xué)相容性及界面反應(yīng)的控制由于絕大多數(shù)有前景的復(fù)合材料體系在熱力學(xué)上不相容，人們致力于減慢基體與增強(qiáng)物之間相互作用速度的研究，達(dá)到動(dòng)力學(xué)相容性，得到有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的金屬基復(fù)合材料。復(fù)合材料各組分之間發(fā)生相互作用可能有兩種情況（1）基體與增強(qiáng)物之間不生成化合物，只生成固溶體（2）基體和增強(qiáng)物之間生成化合物 2021年12月28日星期二22圖圖6-7Ti-B復(fù)合材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)復(fù)合材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)2021年12月28日星期二236.2.3.3 6.2.3.3 典型金屬基復(fù)合材料體系的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)典型金屬基復(fù)合材料體系的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn) 設(shè)置動(dòng)力學(xué)障礙包括兩個(gè)方面：提高反應(yīng)

20、擴(kuò)散的激活能，降低擴(kuò)散系數(shù)(反應(yīng)速度常數(shù))。 1、鋁碳系 前面已經(jīng)指出，根據(jù)碳纖維的結(jié)構(gòu)及基體的成分，兩者發(fā)生明顯作用的溫度為400500。纖維的石墨化程度高，作用溫度也高，未經(jīng)石墨化處理的纖維則在較低溫度下開(kāi)始與基體發(fā)生明顯作用。圖6-8是纖維種類(lèi)、溫度與生成的反應(yīng)產(chǎn)物A14C3量之間的關(guān)系。2021年12月28日星期二24T()(a)纖維纖維/ /化合物層化合物層（沉積）（沉積）纖維纖維化合物層（沉積）化合物層（沉積）i iE Ef fGPaGPaufufGPaGPaE E1 1GPaGPaGPaGPaB/SiCB/SiC3803803.53.54704702.32.33 34 45 56

21、 63.623.621.901.901.041.040.510.51B/BB/B4 4C C3803803.53.54704702.32.33 34 45 56 63.623.621.901.901.041.040.510.51B/BNB/BN3803803.53.590901.41.43 34 45 56 670.670.6101.13101.13111.97111.97196.0196.0B/TiBB/TiB2 23803803.53.55105101.01.03 34 45 56 60.240.240.050.050.0110.0110.0020.002B/AlBB/AlB2 23803

22、803.53.54304300.70.73 34 45 56 60.1450.1450.0300.0300.0050.0050.0080.008 表表6-3若干體系中計(jì)算得到的化合物層的臨界厚度若干體系中計(jì)算得到的化合物層的臨界厚度2021年12月28日星期二25在碳纖維上涂覆金屬，特別是能與碳容易生成碳化物的金屬，能起一定的擴(kuò)散阻擋層作用，例如Ti、Nb、Ta、Hf、Zr等。這些金屬的密度都很大，并且為了比較有效地起動(dòng)力學(xué)阻礙作用，涂層必須有一定的厚度，這最終將增加復(fù)合材料的密度。 T()(a)T()(b)圖圖6-8 復(fù)合絲中復(fù)合絲中Al4C3的量與溫度的半徑（的量與溫度的半徑（a）；復(fù)合絲

23、拉伸強(qiáng)度和溫度的關(guān)系（）；復(fù)合絲拉伸強(qiáng)度和溫度的關(guān)系（b）2021年12月28日星期二26 圖6-9中繪出了各種涂層的效果，這些化合物涂層雖然能對(duì)碳纖維起保護(hù)作用，但不能被液態(tài)鋁潤(rùn)濕。為了改善潤(rùn)濕性能，必須對(duì)涂覆化合物層后的碳纖維進(jìn)行二次涂覆處理。例如在SiC層外面再涂金屬Cr層，可以得到很好的效果。 2021年12月28日星期二272021年12月28日星期二28Ce和Zr的加入可以提高復(fù)合材料力學(xué)性能的高溫強(qiáng)度保持率，間接地說(shuō)明了這兩種元素都在一定的程度上能夠減慢界面反應(yīng)。 a.復(fù)合材料中Al4C3的含量，1纖維原涂層，2纖維涂Cr，3纖維涂 SiC，4纖維涂SiC+Cr； b. c. C

24、/Al復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度剪切強(qiáng)度，1纖維原涂層，2纖維涂Cr，3纖 維涂SiC，4纖維涂SiC+Cr；d. 各種涂層對(duì)碳纖維性能的影響 溫度（溫度（）（a）2021年12月28日星期二292、鋁硼系 如前所述，鋁與硼在熱力學(xué)不相容，根據(jù)基體的成分不同，反應(yīng)產(chǎn)物或?yàn)锳1B2或?yàn)锳1B12。但鋁硼復(fù)合材料是最早研究成功和正式使用的金屬基復(fù)合材料。減慢鋁硼的反應(yīng)速度、減少硼化物生成量的有力措施，是在硼纖維上涂覆擴(kuò)散阻擋層。SiC、B4C和BN是三種有效的化合物涂層，它們可用化學(xué)氣相沉積法得到。硼纖維與碳纖維不同，它是直徑較祖的、95150m的單絲，對(duì)這種纖維進(jìn)行表面涂覆處理比碳纖維容易得多。 表6-

25、4中給出了合金元系對(duì)反應(yīng)速度的影響。從表中可見(jiàn)，Hf是最有效的。向基體中添加合金元素來(lái)減慢反應(yīng)速度的方法在實(shí)際中并未得到應(yīng)用。 2021年12月28日星期二303、鈦硼系 TiB系是到目前為止在理論上研究得比較早和比較系統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料體系之一。鈦與硼在熱力學(xué)上不相容，生成TiB2和TiB兩種化合物，以TiB2為主。TiB是典型的具有第類(lèi)界面的復(fù)合材料。隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)反應(yīng)產(chǎn)物的量不斷增加。2021年12月28日星期二31如果SE為負(fù)值，則說(shuō)明添加該元素可以減慢反映速度。表6-5中列出了純鈦和二元鈦合金與硼的反應(yīng)速度常數(shù)K及比速度常數(shù)SE. 合金元素對(duì)反應(yīng)速度的影響可用比速度常數(shù)S

26、E來(lái)衡量 ES 鈦合金的速度常數(shù)純鈦的速度常數(shù)合金元素的質(zhì)量百分含量（6-17） 2021年12月28日星期二32表表6-5760時(shí)若干金屬和二元鈦合金與硼的時(shí)若干金屬和二元鈦合金與硼的K及及SE基基 體體K, 10K, 10-7-7cm.scm.s-1/2-1/2 S SE E, 10, 10-7-7cm.scm.s-1/2-1/2 重重 量量 原原 子子 TiTi Ti- Ti-0.5Si0.5Si Ti- Ti-20SiC20SiC Ti-2Ge Ti-2Ge Ti- Ti-10Cu10Cu Ti- Ti-10Al10Al Ti- Ti-30Mo30Mo Ti-17V Ti-17V Ti

27、-22V Ti-22V Ti-30V Ti-30V Ti-70V Ti-70V V V 5.25.2 5.2 5.2 5.3 5.3 5.1 5.1 4.7 4.7 3.8 3.8 1.8 1.8 2.0 2.0 1.3 1.3 0.6 0.6 0.9 0.9 2.5 2.5 0 0 0 0 0.050.05 0.050.05 0.140.14 0.100.10 0.190.19 0.180.18 0.150.15 0 0 0 0 0.060.06 0.060.06 0.080.08 0.190.19 0.200.20 2021年12月28日星期二33圖圖6-11合金元素對(duì)合金元素對(duì)Ti-B系

28、反應(yīng)速度常數(shù)的影響系反應(yīng)速度常數(shù)的影響2021年12月28日星期二344、鋁碳化硅系 相對(duì)而言，由于反應(yīng)3SiC4Al Al4C33Si的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是個(gè)不大的負(fù)值（-15KJmol），因此AlSiC系是比較穩(wěn)定的，620時(shí)實(shí)際上兩者不作用。SiC纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造溫度或者低于基體的熔點(diǎn)，或者雖然溫度較高、但接觸時(shí)間較短，因此通常不必?fù)?dān)心生成過(guò)量有害化合物而嚴(yán)重?fù)p害復(fù)合材料的性能。但SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料多在液態(tài)下制造，且接觸時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，有時(shí)還需考慮二次加工，SiC顆粒與鋁基體的相互作用便不可忽略。SiC與A1的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可用下式表示： a=b+571.06exp(-5308

29、.6/T)exp(-28.2/(T-902.9) 式中a為材料中Si的重量含量；b基體中原有的Si重量含量；為時(shí)間。嚴(yán)格控制溫度及向基體中添加Si都可減少反應(yīng)產(chǎn)物的量。2021年12月28日星期二355、鋁不銹鋼系 A1Fe系中的主要反應(yīng)產(chǎn)物為Fe2A15，向基體中加合金元素Si、Mg、Cu、C及在鋼絲上涂Cr都能減慢Fe2A15的生長(zhǎng)速度。6、鎳鎢系 NiW系中雖然生成成分不固定（含W17.620.0原子）、在高溫不穩(wěn)定(分解溫度971)的化合物Ni4W，但此系中的主要問(wèn)題是W在Ni中的溶解(最高可達(dá)40重量)及W在高溫時(shí)的再結(jié)晶。2021年12月28日星期二366.2.46.2.4界面的穩(wěn)

30、定性界面的穩(wěn)定性金屬基復(fù)合材料的主要特點(diǎn)在于它能在比樹(shù)脂基復(fù)合材料高的溫度下使用，因此對(duì)金屬基復(fù)合材料的界面要求在允許的高溫條件下，長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。如果某一種復(fù)合材料及其半成品的原始性能很好，但在較高溫度下使用或在進(jìn)一步加工過(guò)程中由于界面發(fā)生變化而使性能下降，則這種復(fù)合材料沒(méi)有實(shí)際使用價(jià)值。金屬基復(fù)合材料的界面不穩(wěn)定因素有兩類(lèi)：物理不穩(wěn)定和化學(xué)不穩(wěn)定。 2021年12月28日星期二376.2.4.1 物理不穩(wěn)定因素這種不穩(wěn)定因素主要表現(xiàn)為基體與增強(qiáng)物之間在使用的高溫條件下發(fā)生溶解以及溶解與再析出現(xiàn)象。圖6-12示出了鎳碳復(fù)合材料經(jīng)熱暴露后的形貌和表明碳石墨化的X射線(xiàn)衍射結(jié)果。 2021年12月

31、28日星期二38 6.2.4.26.2.4.2化學(xué)不穩(wěn)定因素化學(xué)不穩(wěn)定因素 化學(xué)不穩(wěn)定因素主要是復(fù)合材料在制造、加工和使用過(guò)程中發(fā)生的界面化學(xué)作用，它包括界面反應(yīng)、交換反應(yīng)和暫穩(wěn)態(tài)界面的變化幾種現(xiàn)象。 2021年12月28日星期二396.2.56.2.5界面結(jié)構(gòu)及界面反應(yīng)界面結(jié)構(gòu)及界面反應(yīng)6.2.5.1 6.2.5.1 有界面反應(yīng)產(chǎn)物的界面微結(jié)構(gòu)有界面反應(yīng)產(chǎn)物的界面微結(jié)構(gòu) 多數(shù)金屬基復(fù)合材料在制備過(guò)程中發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)。輕微的界面反應(yīng)能有效地改善金屬基體與增強(qiáng)體的浸潤(rùn)和結(jié)合，是有利的；嚴(yán)重界面反應(yīng)將造成增強(qiáng)體的損傷和形成脆性界面相等，十分有害。界面反應(yīng)通常是在局部區(qū)域中發(fā)生的，形成粒狀、

32、棒狀、片狀的反應(yīng)產(chǎn)物，而不是同時(shí)在增強(qiáng)體和基體相接觸的界面上產(chǎn)生層狀物。只有嚴(yán)重的界面反應(yīng)才可能形成界面反應(yīng)層。 碳鋁復(fù)合材料典型界面微結(jié)構(gòu)如圖6-13所示。當(dāng)制備工藝參數(shù)控制合適時(shí)，界面反應(yīng)輕微，界面形成少量細(xì)小的Al4C3反應(yīng)物，如圖(a)所示。制備時(shí)溫度過(guò)高、冷卻速度過(guò)慢將發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，形成大量條塊狀A(yù)l4C3反應(yīng)產(chǎn)物，如圖(b)所示。 2021年12月28日星期二40ab2021年12月28日星期二416.2.5.2 6.2.5.2 有元素偏聚和析出相的界面微結(jié)構(gòu)有元素偏聚和析出相的界面微結(jié)構(gòu)金屬基復(fù)合材料的基體常選用金屬合金，很少選用純金屬。基體合金中含有各種合金元素，用以強(qiáng)化

33、基體合金。有些合金元素能與基體金屬生成金屬化合物析出相，如鋁合金中加入銅、鎂、鋅等元素會(huì)生成細(xì)小的Al2Cu、Al2CuMg、A12MgZn等時(shí)效強(qiáng)化相。由于增強(qiáng)體表面吸附作用，基體金屬中合金元素在增強(qiáng)體的表面富集為在界面區(qū)生成析出相創(chuàng)造了有利條件。在碳纖維增強(qiáng)鋁或鎂復(fù)合材料中均可發(fā)現(xiàn)界面上有Al2Cu、Mg17Al12化合物析出相存在。圖6-14為碳鎂復(fù)合材料界面析出物形貌，可清晰看到界面上條狀和塊狀的Mg17A112析出相。 2021年12月28日星期二42圖圖6-14 碳碳/鋁（含鎂）復(fù)合材料界面析出物形貌鋁（含鎂）復(fù)合材料界面析出物形貌 圖圖6-15 TiB2/NiAl原位復(fù)合材料原位

34、復(fù)合材料HRTM2021年12月28日星期二436.2.5.3 增強(qiáng)體與基體直接進(jìn)行原子結(jié)合的界面結(jié)構(gòu)由于金屬基復(fù)合材料組成體系和制備方法的特點(diǎn)，多數(shù)金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在不同類(lèi)型的界面結(jié)構(gòu)，即界面不同的區(qū)域存在增強(qiáng)體與基體直接原子結(jié)合的清潔、平直界面結(jié)構(gòu)，有界面反應(yīng)產(chǎn)物的界面結(jié)構(gòu)，也有析出物的界面結(jié)構(gòu)等。只有少數(shù)金屬基復(fù)合材料(主要是自生增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料)才有完全無(wú)反應(yīng)產(chǎn)物或析出相的界面結(jié)構(gòu)。增強(qiáng)體和基體直接原子結(jié)合的界面結(jié)構(gòu)，如TiB2NiAl自生復(fù)合材料。圖6-15所示為T(mén)iB2NiAl原位復(fù)合材料的界面高分辨電子顯微鏡圖。2021年12月28日星期二446.2.5.

35、4 6.2.5.4 其他類(lèi)型的界面結(jié)構(gòu)其他類(lèi)型的界面結(jié)構(gòu) 金屬基復(fù)合材料基體合金中不同合金元素在高溫制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生元素的擴(kuò)散、吸附、和偏聚，在界面微區(qū)形成合金元素濃度梯度層。元素濃度梯度的厚度、濃度梯度的大小與元素的性質(zhì)、加熱過(guò)程的溫度和時(shí)間有密切關(guān)系。 金屬基體與增強(qiáng)體的強(qiáng)度、模量、熱膨脹系數(shù)有差別，在高溫冷卻時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，在界面區(qū)產(chǎn)生大量位鍺。位錯(cuò)密度與金屬基復(fù)合材料體系及增強(qiáng)體的形狀有密切關(guān)系，見(jiàn)圖6-16。 2021年12月28日星期二45圖圖 6-16 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基 復(fù)合材料界面處的高密度位錯(cuò)區(qū)復(fù)合材料界面處的高密度位錯(cuò)區(qū)圖圖 6-17 嚴(yán)重界面反應(yīng)后高

36、性能?chē)?yán)重界面反應(yīng)后高性能石墨纖維被侵蝕的表面形貌石墨纖維被侵蝕的表面形貌2021年12月28日星期二466.2.5.5 6.2.5.5 金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng)金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng) 如前所述，金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)，形成復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)。這是金屬基復(fù)合材料研制、應(yīng)用和發(fā)展的重要障礙，也是金屬基復(fù)合材料所特有的問(wèn)題。 圖6-17示出嚴(yán)重的界面反應(yīng)后面性能石墨纖維被侵蝕的表面形貌，同時(shí)反應(yīng)還可能改變基體的成分。 基體合金和增強(qiáng)體不可基體合金和增強(qiáng)體不可避免地發(fā)生不同程度的避免地發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)及元素?cái)U(kuò)散作界面反應(yīng)及元素?cái)U(kuò)散作用、界面反應(yīng)和反應(yīng)的用、界面反應(yīng)和反應(yīng)的

37、程度決定了界面結(jié)構(gòu)和程度決定了界面結(jié)構(gòu)和特性，主要行為有：特性，主要行為有：(3)(3)造成增強(qiáng)體損傷造成增強(qiáng)體損傷和改變基體成分。和改變基體成分。(2)(2)產(chǎn)生脆性的界面產(chǎn)生脆性的界面反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)產(chǎn)物。(1)(1)增強(qiáng)了金屬基體與增強(qiáng)了金屬基體與增強(qiáng)體界面結(jié)合強(qiáng)度增強(qiáng)體界面結(jié)合強(qiáng)度2021年12月28日星期二47綜上所述，可綜上所述，可以將界面反應(yīng)以將界面反應(yīng)程度分為三類(lèi)程度分為三類(lèi)第三類(lèi)為強(qiáng)界面反應(yīng)。第三類(lèi)為強(qiáng)界面反應(yīng)。第二類(lèi)為中等程度界面反應(yīng)。第二類(lèi)為中等程度界面反應(yīng)。第一類(lèi)為弱界面反應(yīng)。第一類(lèi)為弱界面反應(yīng)。 .2021年12月28日星期二48 6.2.6 6.2.6 界面對(duì)性能的影

38、響界面對(duì)性能的影響 在金屬基復(fù)合材料中，界面結(jié)構(gòu)和性能是影響基件和增強(qiáng)體性能充分發(fā)揮，形成最佳綜合性能的關(guān)鍵因素。 不同類(lèi)型和用途的金屬基復(fù)合材料界面的作用和最佳界面結(jié)構(gòu)性能有很大差別。 圖6-18是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂模型。圖圖6-18 顯微增強(qiáng)脆性基體復(fù)合材料的微觀(guān)斷裂模型顯微增強(qiáng)脆性基體復(fù)合材料的微觀(guān)斷裂模型（a）纖維）纖維“橋接橋接”示意示意 （b）裂紋穿過(guò)纖維，造成脆斷）裂紋穿過(guò)纖維，造成脆斷示意示意 2021年12月28日星期二496.2.6.1 6.2.6.1 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的低應(yīng)力破壞連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的低應(yīng)力破壞 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在低應(yīng)力破壞

39、現(xiàn)象：即在制備過(guò)程中纖維沒(méi)有受損傷，纖維強(qiáng)度沒(méi)有變化，但復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值，纖維的性能和增強(qiáng)作用沒(méi)有充分發(fā)揮。 導(dǎo)致低應(yīng)力破壞的主要原因是（1）500加熱處理所發(fā)生的界面反應(yīng)使鋁基體界面結(jié)合增強(qiáng)，強(qiáng)界面結(jié)合使界面失去調(diào)節(jié)應(yīng)力分布、阻止裂紋擴(kuò)展的作用；裂紋尖端的應(yīng)力使纖維斷裂，造成脆性斷裂。（2）纖維在基體中分布不均勻，特別是某些纖維相互接觸，使復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻。（3）纖維與基體之間存在脆性界面相也是復(fù)合材料低應(yīng)力破壞的原因之一。2021年12月28日星期二506.2.6.2 界面對(duì)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響 關(guān)于界面的結(jié)構(gòu)與性能對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)制前面已經(jīng)介紹，下面

40、討論對(duì)力學(xué)性能具體的影響。 界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的彎曲、拉伸、沖擊和疲勞等性能有明顯影響，界面結(jié)合適中的C/Al復(fù)合材料的彎曲壓縮載荷高，是弱界面結(jié)合的23倍，材料的彎曲剛度也大大提高。 彎曲破壞分為材料下層的拉伸破壞區(qū)和上層的壓縮破壞區(qū)。在位拉伸破壞區(qū)內(nèi)出現(xiàn)基體和纖維之間脫粘以及纖維輕微拔出現(xiàn)象；在壓縮區(qū)具有明顯的纖維受壓崩斷現(xiàn)象?？梢?jiàn)界面結(jié)合適中，纖維不但發(fā)揮了拉伸增強(qiáng)作用，還充分發(fā)揮了壓縮強(qiáng)度和剛度。出于纖維的壓縮強(qiáng)度和剛度比其拉伸強(qiáng)度和剛度更大，因此對(duì)提高彎曲性能更為有利。強(qiáng)界面結(jié)合的復(fù)合材料彎曲性能最差，受載狀態(tài)下在邊緣處一旦產(chǎn)生裂紋，便迅速穿過(guò)界面擴(kuò)展，造成材料脆性彎曲破壞。20

41、21年12月28日星期二51 界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的沖擊性能影響較大。纖維從基體中拔出，纖維與基體脫粘后，不同位移造成的相對(duì)摩擦都會(huì)吸收沖擊能量，并且界面結(jié)合還影響纖維和基體的變形能力。 三種類(lèi)型的復(fù)合材料沖擊斷裂過(guò)程如圖6-19所示， 弱界面結(jié)合的復(fù)合材料 適中界面結(jié)合的復(fù)合材料 強(qiáng)界面結(jié)合復(fù)合材料圖圖6-19 三種復(fù)合材料的典型沖擊載荷時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)三種復(fù)合材料的典型沖擊載荷時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)1弱界面結(jié)合弱界面結(jié)合 2適中界面結(jié)合適中界面結(jié)合 3強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)界面結(jié)合2021年12月28日星期二526.2.6.3 6.2.6.3 界面對(duì)金屬基復(fù)合材料內(nèi)微區(qū)域性能的影響界面對(duì)金屬基復(fù)合材料內(nèi)微區(qū)域性

42、能的影響 界面結(jié)構(gòu)和性能對(duì)復(fù)合材料內(nèi)微區(qū)域特別是近界面微區(qū)域的性能有明顯影響。由于金屬基體和增強(qiáng)體的物理性能及化學(xué)性質(zhì)等有很大差別，通過(guò)界面將其結(jié)合在一起，會(huì)產(chǎn)生性能不連續(xù)性和不穩(wěn)定性。強(qiáng)度、模量、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率的差別會(huì)引起殘余應(yīng)力和應(yīng)變，形成高位錯(cuò)密度區(qū)等。界面特性對(duì)復(fù)合材料內(nèi)性能的不均勻分布有很大的影響。 復(fù)合材料內(nèi)，特別是近界面微區(qū)，明顯存在性能的不均勻性分布。利用超顯微硬度在掃描電鏡中對(duì)復(fù)合材料界面區(qū)域和基體區(qū)域的硬度分布進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)存在微區(qū)超顯微硬度分布的不均勻性，硬度的分布有一定規(guī)律，界面結(jié)構(gòu)和性能對(duì)其有明顯影響。超顯微硬度值在界面區(qū)明顯升高，越接近界面硬度值越高，

43、并與界面結(jié)合強(qiáng)度和界面微結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。當(dāng)采用冷熱循環(huán)處理，界面結(jié)合松弛后，近界面微區(qū)的超微硬度值與基體的硬度值趨于一致。2021年12月28日星期二536.2.7 6.2.7 界面優(yōu)化與界面反應(yīng)控制的途徑界面優(yōu)化與界面反應(yīng)控制的途徑如何改善金屬基體與如何改善金屬基體與增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性、控增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性、控制界面反應(yīng)，形成最制界面反應(yīng)，形成最佳的界面結(jié)構(gòu)，是金佳的界面結(jié)構(gòu)，是金屬基復(fù)合材料屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合金屬基復(fù)合材料制備過(guò)材料制備過(guò)程中生產(chǎn)、程中生產(chǎn)、應(yīng)用的關(guān)鍵應(yīng)用的關(guān)鍵界面優(yōu)化界面優(yōu)化的目標(biāo)的目標(biāo)形成能有效形成能有效傳遞載荷、傳遞載荷、調(diào)節(jié)應(yīng)力分調(diào)節(jié)應(yīng)力分布、阻止裂布、阻止裂紋擴(kuò)展的穩(wěn)

44、定紋擴(kuò)展的穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)的界面結(jié)構(gòu)解決途徑解決途徑纖維等增強(qiáng)纖維等增強(qiáng)體的表面涂體的表面涂層處理、金層處理、金屬基體合金屬基體合金化及制備工化及制備工藝方法和參藝方法和參數(shù)控制數(shù)控制2021年12月28日星期二546.2.7.1 6.2.7.1 纖維等增強(qiáng)體的表面涂層處理纖維等增強(qiáng)體的表面涂層處理 纖維表面改性及涂層處理可以有效地改善浸潤(rùn)性和阻止嚴(yán)重的界面反應(yīng)。6.2.7.2 6.2.7.2 金屬基體合金化金屬基體合金化 在液態(tài)金屬中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪馗纳平饘僖后w與增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性，阻止有害的界面反應(yīng)，形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，是種有效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化界面及控制界面反應(yīng)的方法?，F(xiàn)有的金屬基體合金多數(shù)是選用

45、現(xiàn)行的金屬合金。2021年12月28日星期二55 表6-6所示為在鋁中加入0.1%-0.5%Zr的復(fù)合材料在400、600加熱保溫的拉伸強(qiáng)度。由表可見(jiàn)，加入0.5Zr可以有效阻止高溫下碳和鋁反應(yīng)，形成穩(wěn)定的界面，600加熱1h，抗拉強(qiáng)度與純鋁基體復(fù)合材料的室溫強(qiáng)度相近，顯示出明顯的效果。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 / / MPaMPa 室溫室溫 400400、1h1h 600600、1h1h 純純AlAlAl-0.1Al-0.1% %ZrZrAl-0.5Al-0.5% %ZrZr 1155.41155.4 1095.6 1095.6 1224 1224 1014.31014.3 1032.1 1032

46、.1 1232.8 1232.8 748.7748.7 862.4 862.4 1102.5 1102.5表表6-6 不同合金元素含量對(duì)碳不同合金元素含量對(duì)碳/鋁復(fù)合材料拉伸性能影響鋁復(fù)合材料拉伸性能影響2021年12月28日星期二566.2.7.3 6.2.7.3 優(yōu)化制備工藝方法和參數(shù)優(yōu)化制備工藝方法和參數(shù) 金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)程度主要取決于制備方法和工藝參數(shù)。因此優(yōu)化制備工藝方法和嚴(yán)格控制工藝參數(shù)是優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和控制界面反應(yīng)最重要的途徑。由于高溫下金屬基體和增強(qiáng)體元素的化學(xué)活性均迅速增加，溫度越高反應(yīng)越激烈，在高溫下停留時(shí)間越長(zhǎng)反應(yīng)越嚴(yán)重，因此在制備工藝方法和工藝參數(shù)的選擇上首先考慮制

47、備溫度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度。在確保復(fù)合完好的情況下，制備溫度盡可能低，復(fù)合過(guò)程和復(fù)合后高溫下保持時(shí)間盡可能短，在界面反應(yīng)溫度區(qū)冷卻盡可能快，低于反應(yīng)溫度后冷卻速度應(yīng)減小，以免造成大的殘余應(yīng)力，影響材料性能。其他工藝參數(shù)如壓力、氣氛等也不可忽視，需綜合考慮。2021年12月28日星期二57界面組成及成分變化界面組成及成分變化界面區(qū)的位錯(cuò)分布界面區(qū)的位錯(cuò)分布界面強(qiáng)度的表征界面強(qiáng)度的表征界面殘余應(yīng)力的測(cè)定界面殘余應(yīng)力的測(cè)定界面結(jié)構(gòu)的高分辨觀(guān)察及其原子模擬界面結(jié)構(gòu)的高分辨觀(guān)察及其原子模擬1 12 23 34 45 5界面是復(fù)合材料極其重要的組成部分界面是復(fù)合材料極其重要的組成部分, ,全面而確切地

48、表征界面是控制和改善金全面而確切地表征界面是控制和改善金屬基復(fù)合材料的最重要基礎(chǔ)之一。屬基復(fù)合材料的最重要基礎(chǔ)之一。6.3 6.3 復(fù)合材料界面表征復(fù)合材料界面表征2021年12月28日星期二586.3.1 6.3.1 界面組成及成分變化界面組成及成分變化 確定界面上有無(wú)新相形成是界面表征的主要內(nèi)容之一。這種析出物可能是增強(qiáng)體與基體通過(guò)擴(kuò)散反應(yīng)而在界面處形成的新相, 也可能是基體組元與相界處雜質(zhì)元素反應(yīng)在界面處優(yōu)先形核而成為新相。 一般情況下常用明場(chǎng)像或暗場(chǎng)像對(duì)界面附近區(qū)域形貌進(jìn)行觀(guān)察, 通過(guò)選區(qū)衍射和X 射線(xiàn)能譜進(jìn)行微區(qū)結(jié)構(gòu)和成分分析。當(dāng)析出物十分細(xì)小時(shí), 可采用微衍射和電子能量損失譜來(lái)分析

49、其結(jié)構(gòu)和成分, 電子能量損失譜尤其適合于對(duì)C、O 等輕元素的分析。這種綜合分析可以準(zhǔn)確判知界面析出物的結(jié)構(gòu)、成分和形貌特征。2021年12月28日星期二596.3.2 6.3.2 界面區(qū)的位錯(cuò)分布界面區(qū)的位錯(cuò)分布 界面區(qū)近基體側(cè)的位錯(cuò)分布是界面表征的又一重點(diǎn), 它有助于了解復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制。 經(jīng)驗(yàn)表明, 為了能更清晰地顯示出位錯(cuò)分布的特征并便于定量測(cè)定位錯(cuò)密度, 采用弱束成象效果較好。 采用高壓電鏡對(duì)Al/SiCw 復(fù)合材料界面的原位觀(guān)測(cè)證明: 由于兩種異質(zhì)材料熱膨脹系數(shù)不同, 在復(fù)合制備冷卻中界面處形成的位錯(cuò), 在加熱到一定溫度后會(huì)自行消失, 但在重新冷卻下來(lái)時(shí)又會(huì)再次產(chǎn)生。這種復(fù)合材料中

50、, 位錯(cuò)密度可高達(dá)10131014m-2, 是造成這類(lèi)復(fù)合材料高強(qiáng)度的重要原因之一。2021年12月28日星期二606.3.3 6.3.3 界面強(qiáng)度的表征界面強(qiáng)度的表征 增強(qiáng)體與金屬基體間界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)金屬基復(fù)合材料的性能具有重要影響，因此界面強(qiáng)度的定量表征一直是金屬基復(fù)合材料研究領(lǐng)域中十分活躍的課題。 界面強(qiáng)度包括界面剪切強(qiáng)度和界面拉伸強(qiáng)度，它們是影響MMC力學(xué)性能的重要因素。目前測(cè)試MMC界面強(qiáng)度方法可分為三類(lèi)，即宏觀(guān)法、模型法和微觀(guān)法。6.3.3.1 宏觀(guān)法 該法是以復(fù)合材料的宏觀(guān)性能來(lái)評(píng)價(jià)界面結(jié)合強(qiáng)度，包括短梁剪切(層間剪切)、橫向或45偏軸拉伸、導(dǎo)槽剪切、圓筒扭轉(zhuǎn)等對(duì)界面強(qiáng)度比較敏感的性能試驗(yàn)，如圖6-20所示。2021年12月28日星期二61圖圖6-20 宏觀(guān)實(shí)驗(yàn)方法宏觀(guān)實(shí)驗(yàn)方法(a) 短梁剪切；短梁剪切；(b) 橫向橫向(或或45)拉伸；拉伸；(c) 導(dǎo)槽剪切；導(dǎo)槽剪切；(d) 圓筒扭轉(zhuǎn)圓筒扭轉(zhuǎn)2021年12月28日星期二626.3.3.2 模型法 MMC常采用三種模型法試驗(yàn)如圖6-21所示。1.夾層平盤(pán)測(cè)試法（圖6-21(a) 此法所用樣品是由一層基體材料與二層纖維材料結(jié)合起來(lái)形成的一種夾層平盤(pán)。2.滴球測(cè)試法（圖6-21 (b) 該法是將用作MMC基體的金屬熔化后滴在用作增強(qiáng)相的材料板上，固結(jié)成球狀，然后分別對(duì)固體球和底板反向施