金属基复合材料界面

华东理工大学2012－2013学年第二学期《金属基复合材料》课程论文2013.6班级复材101学号10103638姓名温乐斐开课学院材料学院任课教师陈麒成绩论文题目：浅谈金属基复合材料界面特点、形成原理及控制方法论文要求：一、在下列题目中选择一题作为课程论文题予以答题金属基复合材料界面特点、形成原理和控制方法。阐述一种液态法制造工艺及讨论工艺条件对金属基复合材料性能的影响。长纤维增强金属基复合材料设计中主要影响因素和解决方法（举例说明）。二、课程论文形式要求完整的课程论文要有题目，摘要，正文和参考文献四个部分组成。正文字数不少于1500字。三、课程论文格式要求A4纸，单面打印。页面设置：左、右、下边距为2.5厘米，上边距为2.8厘米。正文用宋体小4号，字间距设置为“标准”，段落设置为“1.25倍行距”。正文中所有非汉字均用TimesNewRoman体。表名位于表的正上方，用宋体小五号粗体，图的大小不超过8X8cm，图名位于图的正下方，用宋体小五号粗体。数学公式用斜体，须有编号。若有参考文献，其格式为“参考文献”居中，用黑体小4号，著录的内容应符合国家标准（参见《华东理工大学学报》）。四、完成时间6月19日中午11:00前交至各班学习委员后送校和平楼303室。教师评语：教师签字：年月日浅谈金属基复合材料界面特点、形成原理及控制方法摘要金属基复合材料都要在基体合金熔点附近的高温下制备，在制备过程中纤维、晶须、颗粒等增强体与基体将发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。界面结构和性能对金属基复合材料的性能起着决定性作用。深入研究和掌握界面反应和界面影响性能的规律，有效地控制界面的结构和性能，是获得高性能金属基复合材料的关键。本文简单讨论一下金属基复合材料的界面反应、界面对性能的影响以及控制界面反应和优化界面结构的有效途径等问题。前言由高性能纤维、晶须、颗粒与金属组成的金属基复合材料具有高比强度、高比模量、低热膨胀、耐热耐磨、导电导热等优异的综合性能有广阔的应用前景，是一类正在发展的重要高技术新材料。随着金属基复合材料要求的使用性能和制备技术的发展，界面问题仍然是金属基复合材料研究发展中的重要研究方向。特别是界面精细结构及性质、界面优化设计、界面反应的控制以及界面对性能的影响规律等，尚需结合材料类型、使用性能要求深入研究。金属基复合材料的基体一般是金属、合金和金属间化合物，其既含有不同化学性质的组成元素和不同的相，同时又具有较高的熔化温度。因此，此种复合材料的制备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与增强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷凝、凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂，界面区的结构及组成明显不同于基体和增强体，其受到金属基体成分、增强体类型、复合上艺参数等多种因素的影响。在金属基复合材料界上出现材料物理性质（如弹性模量、线胀系数、热导率、热力学参数）和化学性质等的不连续性，使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。因此，界面的结构和性能对金属基复合材料中的应力和应变的分布、导热和导电、热膨胀性能、载荷传递及断裂过程都起着决定性作用。针对不同类型的金属基复合材料，深入研究界面精细结构、界面结构和性能优化与控制途径，以及界面结构性能的稳定性等，是金属基复合材料发展中的重要内容。图1：制备关系图正文部分1.金属基复合材料界面特点与形成原因由于金属基复合材料必须在高温下制备，基体与增强体之间的界面反应：溶解、扩散、元素偏聚等很难避免，界面反应及作用的程度与基体、增强体的类型、化学、物理性质及制备工艺参数密切相关。集体和增强体一旦选定，制备过程就决定界面结构和性能，特别是制备时的温度和高温下暴露的时间（保温及冷却过程）。温度越高，停留时间越长，界面反应及作用越严重。比较好的金属基复合材料界面应该是起到良好地粘结基体与增强材料但是又不能过分发生反应，不能产生大量的化合物、气泡以及出现应力集中等不良状况。界面的结构和性能对复合材料中应力、应变分布、导热、导电、热膨胀性能、载荷的有效传递、断裂过程均起着决定性的作用。金属基复合材料界面除了机械结合、溶解与润湿结合、反应结合、交换反应结合和混合结合外，还有氧化物结合。（1）机械结合：基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入（互锁）作用进行连接，成为机械结合或机械互锁。纤维的表面粗糙度有助于基体的嵌合，基体的收缩有助于对纤维箍紧。事实上，纯粹的机械结合（即无任何化学作用）是不存在的。基体与增强体之间总会有弱的范德华力存在，故机械结合更确切地将是机械结合占优势的一种结合而大多情况下是机械结合与反应结合并存的一种混合结合。另外，机械结合只有当平行于界面施加作用力时候，其传递载荷才是有效的。陶瓷基复合材料中的界面，大多以机械结合为主。机械结合的特点：1.界面粗糙度对结合力起决定作用，因此表面刻蚀的增强体比光滑表面构成的复合材料强度大2-3倍；2.载荷平行于界面时承担的应力大，而垂直与界面时承担的应力非常小。（2）溶解与润湿结合：在复合材料制造的过程中基体与增强体之间首先发生润湿，然后相互溶解，所形成的结合方式称为溶解与润湿结合。润湿作用通常是主要的，而溶解是次要的，因为在高温下原子的扩散时间很短。在这种情况下，组分之间的相互作用出现在电子等级上，即短程范围，这意味着这些组分将进入原子尺度的接触。溶解与润湿结合的特点：作用力短，只有几个原子距离；增强体存在氧化物膜，使得增强体与基体不润湿，需要破坏氧化层才能使增强体与基体润湿并产生一定的结合力；在增强体表面能很小时，采用表面镀膜层处理（如CVD）使两相之间的接触角小于90°，产生润湿，产生一定的结合作用力。（3）反应结合：基体与纤维间发生化学反应，在界面上形成一种新的化合物而产生的结合称为反应结合。这是一种最复杂、最重要的结合方式。反应结合受扩散控制，能够发生反应的两种元素或化合物，只有通过相互接触和相互扩散才能发生某种化学反应。扩散包括反应物质在组分物质中的扩散（反应初期）和在反应物质中的扩散（反应后期）。不能笼统认为基体与纤维产生的反应都会产生反应结合，只有当反应后能产生界面结合的体系才能算是反应结合，如果反应后界面产生大量脆性化合物，造成界面弱化，这不仅不能称为反应结合，反而应称为反应阻碍结合。要实现良好的反应结合，必须选择最佳的制造工艺参数（温度、压力、时间、气氛等）来控制界面反应的程度。（4）交换反应结合：当增强体或基体成分含有两种或两种以上元素时，除发生界面反应外，在增强体、基体与反应产物之间还会发生元素交换。所产生的结合称为交换反应结合。交换反应结合的典型例子是硼纤维/钛合金复合材料系。（5）混合结合：当由增强体和基体金属组成复合材料时，某些金属基体表面存在致密的氧化膜。此氧化膜常常逐渐被某种工艺因素或化学反应破坏，使增强体与基体之间的界面从非化学结合向化学结合过渡，在过渡过程中，界面既存在机械结合又存在化学结合，成为混合结合。混合结合的典型例子是硼纤维增强铝合金（6061）复合材料[Bf(25%)Al]系。该复合材料一般采用热压扩散结合方式制造，制造温度约为550℃。在此温度和压力下，硼纤维与铝纤维基体的接触时间约为0.5h。经过研究发现，将Bf/Al复合材料在550℃加热0.5h、5h、12h和165h后，拉伸强度分别为593MPa、524MPa、442MPa和317MPa。以上结果表明，拉伸强度随着时间增加而减少；这是因为随着时间延续，铝的氧化膜逐渐破坏，B与Al之间出现机械结合过渡到机械结合与反应结合并存；B与Al之间的化学反应导致硼纤维的强度降低，从而引起复合材料性能下降。（6）氧化物结合：氧化物结合是指当采用的增强体是某种氧化物时，其与基体间发生反应生成另一种氧化物，所产生的结合。具有氧化物结合的体系有Al2O3f/Ni、Al2O3f/Cu、SiO2f/Al等。氧化物增强体与基体反应与否，取决于形成基体氧化物的自由能，同时，还要看气氛中氧的来源情况。一般情况下，金属基复合材料是以界面化学结合为主，有时也会有两种或两种以上界面结合方式并存的现象。另外，即使对于相同的组分、相同的工艺制备的复合材料，对应于不同的部位其界面结构也有较大差别。通常将金属基复合材料界面分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型：Ⅰ型界面代表增强体与基体金属既不溶解也不反应（包括机械结合和氧化物结合）；Ⅱ型界面代表增强体与基体金属之间可以溶解；但不反应（即溶解与润湿结合）；Ⅲ型界面表示增强体与基体之间发生反应并形成化合物（包括交换反应结合和混合结合）见表1所示：表1金属基复合材料体系的界面类型界面类型体系Ⅰ型C/Cu,W/Cu,Al2O3/Cu,Al2O3/Ag,B(BN)/Al,B/Al①,SiC/Al①,不锈钢/Al①Ⅱ型W/Cu(Cr),W/Nb,C/Ni,V/Ni②,共晶体③Ⅲ型W/Cu(Ti),C/Al(100℃),Al2O3/Ti,B/Ti,SiC/Ti,Al2O3/Ni,SiO2/Al,B/Ni,B/Fe,B/不锈钢①表示伪Ⅰ型界面。②该体系在低温时生成Ni4V。③当两组元溶解度极低时划为Ⅰ型。表1中伪Ⅰ型界面的含义是：按热力学分析该种体系的增强体与基体之间应该发生化学反应，但基体金属的氧化膜阻止反应的进行，反应能否进行，取决于氧化膜的完整程度。当氧化膜尚完整时，属于Ⅰ型界面；当工艺过程中温度过高或保温时间过长而使机体氧化膜破坏时，组分之间将发生化学反应，变为Ⅲ型界面。具有伪Ⅰ型界面特征的复合材料系在工艺上宜采用固态法（加热法、粉末冶金、扩散结合），而不宜采用液态浸渗法，以免变为Ⅲ型界面而损伤增强体。2.金属基复合材料界面微观结构金属基复合材料界面是指金属基体与增强体之间的化学成分和物理、化学性质明显不同，构成彼此结合并能起传递载荷作用的微小区域。界面微区的厚度可以从一个原子层到几个微米。由于金属基体与增强体的类型、组分、晶体结构、化学物理性质有很大差别，以及在高温制备过程中有元素的扩散、偏聚、相互反应等，从而形成复杂的界面结构。界面区包括了基体与增强体的接触连接面、基体与增强体相互作用生成的反应产物与接触连接面、基体与增强体相互作用生成的反应产物和析出相、增强体的表面涂层作用区、元素的扩散和偏聚区、近界面的高密度位错区等。金属基复合材料中的典型结构主要有以下几种：（1）有界面反应产物的界面微结构：多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。轻微的界面反应能有效地改善金属基体与增强体的浸润和结合，是十分有利的；严重界面反应将造成增强体的损伤和形成脆性界面相等，十分有害；界面反应通常是在局部区域中发生的，形成颗粒、棒状、片状的反应产物，而不是同时在增强体和基体相接触的界面上发生层状物。只有严重的界面反应才可能形成界面反应层。碳（石墨）/铝复合材料是研究发展最早的性能优异的复合材料之一。碳（石墨）纤维的密度小（1.8~2.1g/cm3）、强度高（3500~7000MPa）、模量高（250~910GPa）、导热性好、线膨胀系数接近于零。用它来增强铝、镁组成的复合材料，综合性能优异。但是碳（石墨）纤维与铝基体在500℃以上会发生界面反应。有效地控制界面反应十分重要。当制备工艺参数控制合适时，界面反应轻微，界面形成少量细小的Al4C3。制备温度过高、冷却速度过慢将会发生严重的界面反应，形成大量条状的Al4C3。碳（石墨）/铝、碳（石墨）/镁、氧化铝/镁、硼/铝、碳化硅/铝、碳化硅/钛、硼酸铝/铝等一些主要类型的金属基复合材料，都存在界面反应的问题。它们的界面结构中一般都有界面反应产物。（2）有元素偏聚和析出相的界面微结构：金属基复合材料的基体选用金属合金，很少选用纯金属。基体合金中含有各种金属化合物析出相，如铝合金中加入铜、镁、锌等元素会生成细小的Al2Cu、Al2CuMg、Al2MgZn等时效强化相。由于增强体表面吸附作用，基体金属中合金元素在增强体的表面富集，为在界面区生成析出相创造了有利条件。在碳纤维增强铝或镁