復合材料界面制備技術的研究發(fā)展現(xiàn)狀

1、 復合材料界面制備技術的研究發(fā)展現(xiàn)狀 孟明艾 復合1001 3100706025 摘要： 材料界面直接影響著材料的物理、化學、力學等性能與應用范圍，復合材料整體性能的優(yōu)劣與復合材料界面結構和性能關系密切。分析材料界面的物理與化學過程、物質傳輸、能量轉化及研究材料界面的結構與性能間的關系，對研究新材料和傳統(tǒng)材料及其應用有著愈來愈重要的意義。 復合材料界面介紹復合材料是由兩種或兩種以上不同物理、化學性質的以微觀或宏觀的形式復合而組成的多相固體材料。復合材料中增強體與基體接觸構成的界面，是一層具有一定厚度（納米以上）、結構隨基體和增強體而異的、與基體有明顯差別的新相界面相（界面層）。界面是復合材料極

2、為重要的微結構，它是增強體和基體相連接的“紐帶”，也是應力及其他信息傳遞的橋梁，其結構與性能直接影響著復合材料的性能。因此，深入研究復合材料界面的的制備、技術形成過程、界面層性質、結合強度、應力傳遞行為對宏觀力學性能的影響規(guī)律，從而有效進行控制界面，是獲得高性能復合材料的關鍵。復合材料界面及其組成界面相并沒有十分清晰的界限。界面相內部即使是同一組分其內部性質也有很大的不同，無論從物理狀態(tài)還是化學情況，界面相各個組分之間都存在著相互擴散和相互影響，并不是一個絕對規(guī)整的結構。對于界面相，界面層的形成和結構大體可分為：1.表面的粗糙及活性而形成的吸附層 ；2.表面的化學物質與基質發(fā)生化學反應而成的物

3、質；3.表面誘導的結晶層；4.聚合物和纖維冷卻時，因收縮差所引起的殘留應力層。 復合材料界面研究現(xiàn)狀界面與材料的各種性能的關系是復合材料研究的前沿領域，當前界面研究的重點是界面潤濕、界面結構、界面結合機制和界面穩(wěn)定性，它對顆粒的分布往往起著決定性的作用。因此，有關潤濕機理、改善途徑及影響因素仍是今后界面研究的重要課題。但是，由于界面尺寸很小且不均勻，化學成分及結構復雜，對于界面的結合強度、界面的厚度、界面的應力狀態(tài)尚無直接和準確的定量的方法，對于界面結合狀態(tài)、形態(tài)、結構以及它對復合材料的影響尚沒有適當?shù)脑囼灧椒ǎ枰柚娮淤|譜、紅外掃描等試驗逐步摸索和統(tǒng)一認識。因此，迄今為止，對復合材料界面

4、的認識還不是很充分，主要表現(xiàn)在：（1）界面表征手段測試手段存在局限；（2）界面改善方法：無法解釋界面在材料失效過程的確切作用；（3）材料力學研究：理論模型與材料加工的實際過程有很大差異。復合材料界面制備技術的研究 制備技術不僅很大程度上影響著復合材料的性能，同時也是它進一步應用發(fā)展的重要因素。材料界面制備技術主要是接合。所謂接合，是指為得到具體指定特性的坯料而使用的一種材料復合手段。接合形式有物理吸附、化學反應、擴散、燒結等。作為工藝方法的分類，有機械結合法、直接與間接結合法。 顆粒增強鋁基復合材料是當前研究較多、比較成熟、應用比較廣泛的金屬基復合材料，SiCp/Al就是其中的一類。 以金屬基

5、基復合材料SiCp/Al為例談談復合材料界面的制備技術（包括SiCp/Al 復合材料制備方法、存在的技術難題和今后需要完善和進一步研究的方向）。 SiCp/Al復合材料成形技術，按增強顆粒與鋁合金混合方式及成型工藝不同，可分為擠壓鑄造、真空吸鑄法、熔融金屬浸滲、粉末冶金及噴射沉積等。 1.擠壓鑄造擠壓鑄造法就是在用攪棒高速攪動的鋁熔液中逐漸加入SiC顆粒增強物，待SiC顆粒得到潤濕、分散均勻后將熔體澆入金屬型，再用擠壓鑄造的方法加壓成形。因為通常非金屬增強物與金屬液是不潤濕的，所以用普通攪拌法制造時因相互排斥而使增強物分散不均勻。對這種方法進行改良，將金屬液溫度控制在液相線和固相線之間進行攪拌

6、，這時熔液含有一定組分的固相粒子，增強物加進去，即使?jié)櫇裥圆缓?，由于固相粒子的阻擋和滯留，增強物也不會結集和偏聚，仍能得到較均勻的顆粒分散。同樣，將分散均勻的熔體澆入金屬型，用擠壓鑄造的方法加壓成形。歐陽柳章及隋賢棟等用此方法成功地澆鑄了鋁基復合材料活塞，臺架實驗正在進行中。 2.真空吸鑄法 真空吸鑄法是在鑄形內形成一定負壓條件，使液態(tài)金屬或顆粒增強金屬基復合材料自上而下吸入型凝固后形成固件的工藝方法。真空吸鑄法的工藝過程：將用化學沉積制備的碳化硅纖維裝入鋼管中，一端用鋁塞密封，另一端連接真空系統(tǒng)。在真空條件下，將裝有纖維的鋼管部位預熱到高溫，然后將帶有鋁塞的一端插入熔融的鋁液中，鋁塞將立即熔

7、化，而鋁液被吸入鋼管中滲透到纖維。冷卻后用硝酸腐蝕掉鋼管，制成復合材料。 3.熔融金屬浸滲法 熔融金屬浸滲法是通過纖維或纖維預制件浸漬熔融態(tài)金屬而制成金屬基復合材料的方法。這種方法是預先把顆粒增強材料用適當?shù)恼辰Y劑粘結，做成預制件，放入壓型，澆入鋁熔液后立即加壓，使鋁液滲入預制件的間隙，這樣在凝固后就得到要求的鋁基復合材料。 4 . 粉末冶金法 粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結，制造金屬材料、復合以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技術也可用于陶瓷材料的制備。 粉末冶金法是用于制備與成型非連

8、續(xù)增強型金屬基復合材料的一種傳統(tǒng)的固態(tài)工藝法。它是利用粉末冶金原理，將基體金屬粉末和增強材料（晶須、短纖維、顆粒等）按設計要求的比例在適當?shù)臈l件下均勻混合，然后再壓坯、燒結或擠壓成型，也可將混合料壓坯后加熱到基體金屬的固液相溫度區(qū)內進行半固態(tài)成型，從而獲得復合材料或其制件。 基體合金粉末和顆粒（晶須）的混合均勻程度及基體粉末防止氧化的問題是整個工藝的關鍵。 粉末冶金成型主要包括混合、固化、壓制三個過程。粉末冶金工藝是：首先采用超聲波或球磨等方法，將金屬粉末與增強體混勻，然后冷壓預成型，得到復合坯件，最后通過熱壓燒結致密化獲得復合材料成品。生產(chǎn)過程為：（1）生產(chǎn)粉末。粉末的生產(chǎn)過程包括粉末的制取

9、、粉料的混合等步驟。為改善粉末的成型性和可塑性通常加入機油、橡膠或石蠟等增塑劑。（2）壓制成型。粉末在15-600MPa壓力下，壓成所需形狀。（3）燒結。在保護氣氛的高溫爐或真空爐中進行。燒結不同于金屬熔化，燒結時至少有一種元素仍處于固態(tài)。燒結過程中粉末顆粒間通過擴散、再結晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化學過程，成為具有一定孔隙度的冶金產(chǎn)品。（4）后處理。一般情況下，燒結好的制件可直接使用。但對于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件還要進行燒結后處理。后處理包括精壓、滾壓、擠壓、淬火、表面淬火、浸油、及熔滲等。 5.噴射沉積法 噴射沉積法是一種將金屬熔體與增強顆粒在惰性氣體的推動

10、下，通過快速凝固制備顆粒增強金屬基復合材料的方法。其具體工藝過程為：在高速惰性氣體流的作用下（以氬氮等非活性氣體作為載體），將鋁合金在坩堝中熔化，加壓流經(jīng)霧化器后被高速氣體分散成極細小的金屬液滴，同時通過一個或幾個噴嘴向霧化的金屬液滴流中噴入增強顆粒Si，使金屬液滴和增強顆粒同時沉降在水冷基板上，這樣便制得了SiCp/Al復合材料。 SiCp/Al界面制備技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢SiCp/Al現(xiàn)有工藝方法雖然成功制造了SiCp/Al復合材料，但距離實際應用還有一定的差距，僅處于實驗室階段。SiC存在鋁液中，使熔液粘度提高，流動性能降低，鑄造時充填性能變差，當顆粒含量增加至20%或在較低溫度（<

11、;730 ）時，流動性急劇降低以致無法澆注。鑄造SiC顆粒復合材料制造過程中，由于顆粒的存在，使冷卻和凝固時的溫度分布、晶體生長的熱力學、動力學過程等發(fā)生變化，相應地，復合材料的凝固特性、溶質再分布規(guī)律、組織特性以及一二次枝晶間距、偏析等也要發(fā)生變化。顆粒被固溶界面所排斥和推移，聚集在界面前方的液相中。這些問題，目前的研究還不充分，有必要深入開展工作。目前SiCp/Al的制備還有許多問題尚待解決。首先是它的力學性能特別是強度尚離理論值有較大差距，主要是由于SiCp/Al極易發(fā)生界面反應，對強度有較大影響。因此，尋找保護性好又與金屬浸潤的涂層是十分迫切的。碳化硅顆粒增強鋁是很有發(fā)展前途的材料，特

12、別是其界面間需要適當?shù)恼辰Y力才能有最佳的強度的現(xiàn)象，還缺乏從理論上加以定量地說明。復合材料具有豐富的微觀結構組合方式，其與宏觀力學的對應性也亟待研究。由于合金化工藝與變質處理改善界面結合狀況，材料的浸潤性及化學反應方面存在較大的問題，增強材料SiC與鋁的潤濕角大于90，因此，在液態(tài)成形中，金屬液很難浸入到增強材料SiC之間，結果使材料內部形成大量孔洞缺陷。另外，增強材料和基體材料往往在物理性能（熱膨脹性、密度）、化學性能（如電化學勢、組元擴散能力）及力學性能（如強度及韌性）存在較大差異，這將影響復合材料的質量。在基體中加入合金元素，以增加金屬液的粘度降低表面張力和改善潤濕性及結晶形態(tài)的改變，均

13、有利于形成結合良好的界面。變質處理后的基體材料性能的提高可以彌補復合化以后塑性的降低，從而使所制備材料具有優(yōu)異的綜合性能。此外，SiCp/Al鋁基復合材料含有硬而脆的SiC顆粒，難于切削，其主要表現(xiàn)之一是刀具磨損迅速。現(xiàn)代精密機器零件絕大多數(shù)仍需依靠機加工獲得最終形狀和精度，切削加工問題是刻不容緩的。 復合材料界面研究前景展望研究界面的組成、結構、性質以及界面區(qū)對復合材料的影響，要有以下幾大突破 ：（1） 改善測試手段、測得有實際意義的物理參數(shù)和對界面化學進行表征；（2） 針對材料實際情況建立更好的教學模型，并進一步建立可以使用實測數(shù)據(jù)的理論模型；（3） 建立微觀結構和宏觀性能之間的聯(lián)系，理論

14、模型和實驗數(shù)據(jù)相互推動；（4） 研究界面制備技術，改善工藝條件，制備性能優(yōu)異的復合材料。 結束語 復合材料是一門涉及到物理、化學、物理化學、傳熱學、金屬學、力學等多學科的典型的邊緣學科，目前對基礎理論研究，特別是化學分析和處理，對顆粒復合材料的研究很少，各項數(shù)據(jù)和基礎理論有待完善。SiC/Al復合材料性能優(yōu)良，制備工藝比較簡單，成本較低，可望在機械、冶金、建材、電力等工業(yè)部門得到廣泛的應用。鋁基復合材料的時代正在到來，它將在更廣泛的領域得到應用，在現(xiàn)代化的建設中發(fā)揮更大作用。 參 考 文 獻（1） 馮小明，張崇才 . 復合材料 . 2004（2） 何湘平編譯 . Al-SiC復合材料鑄造發(fā)展概況 （1）特種鑄造及有色合金 ，1991