金屬基複合材料介面

華東理工大學2012－2013學年第二學期

《金屬基複合材料》課程** 2013.6

班級複材101 學號 10103638 姓名溫樂斐

開課學院材料學院任課教師陳麒成績

**金屬基複合材料介面特點、形成原理及控制方法

摘要金屬基複合材料都要在基體合金熔點附近的高溫下製備，在製備過程中纖維、晶須、顆粒等增強體與基體將發生程度不同的相互作用和介面反應，形成各種結構的介面。介面結構和效能對金屬基複合材料的效能起著決定性作用。深入研究和掌握介面反應和介面影響效能的規律，有效地控制介面的結構和效能，是獲得高效能金屬基複合材料的關鍵。

本文簡單討論一下金屬基複合材料的介面反應、介面對效能的影響以及控制介面反應和優化介面結構的有效途徑等問題。

前言由高效能纖維、晶須、顆粒與金屬組成的金屬基複合材料具有高比強度、高比模量、低熱膨脹、耐熱耐磨、導電導熱等優異的綜合性能有廣闊的應用前景，是一類正在發展的重要高技術新材料。

隨著金屬基複合材料要求的使用效能和製備技術的發展，介面問題仍然是金屬基複合材料研究發展中的重要研究方向。特別是介面精細結構及性質、介面優化設計、介面反應的控制以及介面對效能的影響規律等，尚需結合材料型別、使用效能要求深入研究。

金屬基複合材料的基體一般是金屬、合金和金屬間化合物，其既含有不同化學性質的組成元素和不同的相，同時又具有較高的熔化溫度。因此，此種複合材料的製備需在接近或超過金屬基體熔點的高溫下進行。金屬基體與增強體在高溫復合時易發生不同程度的介面反應；金屬基體在冷凝、凝固、熱處理過程中還會發生元素偏聚、擴散、固溶、相變等。

這些均使金屬基複合材料介面區的結構十分複雜，介面區的結構及組成明顯不同於基體和增強體，其受到金屬基體成分、增強體型別、復合上藝引數等多種因素的影響。

在金屬基複合材料界上出現材料物理性質（如彈性模量、線脹係數、熱導率、熱力學引數）和化學性質等的不連續性，使增強體與基體金屬形成了熱力學不平衡的體系。因此，介面的結構和效能對金屬基複合材料中的應力和應變的分布、導熱和導電、熱膨脹效能、載荷傳遞及斷裂過程都起著決定性作用。針對不同型別的金屬基複合材料，深入研究介面精細結構、介面結構和效能優化與控制途徑，以及介面結構效能的穩定性等，是金屬基複合材料發展中的重要內容。

圖1：製備關係圖

正文部分

1.金屬基複合材料介面特點與形成原因

由於金屬基複合材料必須在高溫下製備，基體與增強體之間的介面反應：溶解、擴散、元素偏聚等很難避免，介面反應及作用的程度與基體、增強體的型別、化學、物理性質及製備工藝引數密切相關。集體和增強體一旦選定，製備過程就決定介面結構和效能，特別是製備時的溫度和高溫下暴露的時間（保溫及冷卻過程）。

溫度越高，停留時間越長，介面反應及作用越嚴重。比較好的金屬基複合材料介面應該是起到良好地粘結基體與增強材料但是又不能過分發生反應，不能產生大量的化合物、氣泡以及出現應力集中等不良狀況。介面的結構和效能對複合材料中應力、應變分布、導熱、導電、熱膨脹效能、載荷的有效傳遞、斷裂過程均起著決定性的作用。

金屬基複合材料介面除了機械結合、溶解與潤濕結合、反應結合、交換反應結合和混合結合外，還有氧化物結合。

（1）機械結合：基體與增強體之間僅僅依靠純粹的粗糙表面相互嵌入（互鎖）作用進行連線，成為機械結合或機械互鎖。纖維的表面粗糙度有助於基體的嵌合，基體的收縮有助於對纖維箍緊。

事實上，純粹的機械結合（即無任何化學作用）是不存在的。基體與增強體之間總會有弱的范德華力存在，故機械結合更確切地將是機械結合佔優勢的一種結合而大多情況下是機械結合與反應結合並存的一種混合結合。另外，機械結合只有當平行於介面施加作用力時候，其傳遞載荷才是有效的。

陶瓷基複合材料中的介面，大多以機械結合為主。

機械結合的特點：1.介面粗糙度對結合力起決定作用，因此表面刻蝕的增強體比光滑表面構成的複合材料強度大2-3倍；2.載荷平行於介面時承擔的應力大，而垂直與介面時承擔的應力非常小。

（2）溶解與潤濕結合：在複合材料製造的過程中基體與增強體之間首先發生潤濕，然後相互溶解，所形成的結合方式稱為溶解與潤濕結合。潤濕作用通常是主要的，而溶解是次要的，因為在高溫下原子的擴散時間很短。

在這種情況下，組分之間的相互作用出現在電子等級上，即短程範圍，這意味著這些組分將進入原子尺度的接觸。

溶解與潤濕結合的特點：作用力短，只有幾個原子距離；增強體存在氧化物膜，使得增強體與基體不潤濕，需要破壞氧化層才能使增強體與基體潤濕並產生一定的結合力；在增強體表面能很小時，採用表面鍍膜層處理（如cvd）使兩相之間的接觸角小於90°，產生潤濕，產生一定的結合作用力。

（3）反應結合：基體與纖維間發生化學反應，在介面上形成一種新的化合物而產生的結合稱為反應結合。這是一種最複雜、最重要的結合方式。

反應結合受擴散控制，能夠發生反應的兩種元素或化合物，只有通過相互接觸和相互擴散才能發生某種化學反應。擴散包括反應物質在組分物質中的擴散（反應初期）和在反應物質中的擴散（反應後期）。不能籠統認為基體與纖維產生的反應都會產生反應結合，只有當反應後能產生介面結合的體系才能算是反應結合，如果反應後介面產生大量脆性化合物，造成介面弱化，這不僅不能稱為反應結合，反而應稱為反應阻礙結合。

要實現良好的反應結合，必須選擇最佳的製造工藝引數（溫度、壓力、時間、氣氛等）來控制介面反應的程度。

（4）交換反應結合：當增強體或基體成分含有兩種或兩種以上元素時，除發生介面反應外，在增強體、基體與反應產物之間還會發生元素交換。所產生的結合稱為交換反應結合。

交換反應結合的典型例子是硼纖維/鈦合金複合材料系。

（5）混合結合：當由增強體和基體金屬組成複合材料時，某些金屬基體表面存在緻密的氧化膜。此氧化膜常常逐漸被某種工藝因素或化學反應破壞，使增強體與基體之間的介面從非化學結合向化學結合過渡，在過渡過程中，介面既存在機械結合又存在化學結合，成為混合結合。

混合結合的典型例子是硼纖維增強鋁合金（6061）複合材料[bf(25%)al]系。該複合材料一般採用熱壓擴散結合方式製造，製造溫度約為550℃。在此溫度和壓力下，硼纖維與鋁纖維基體的接觸時間約為0.

5h。經過研究發現，將bf/al複合材料在550℃加熱0.5h、5h、12h和165h後，拉伸強度分別為593mpa、524mpa、442mpa和317mpa。

以上結果表明，拉伸強度隨著時間增加而減少；這是因為隨著時間延續，鋁的氧化膜逐漸破壞，b與al之間出現機械結合過渡到機械結合與反應結合並存；b與al之間的化學反應導致硼纖維的強度降低，從而引起複合材料效能下降。

（6）氧化物結合：氧化物結合是指當採用的增強體是某種氧化物時，其與基體間發生反應生成另一種氧化物，所產生的結合。具有氧化物結合的體系有al2o3f/ni、al2o3f/cu、sio2f/al等。

氧化物增強體與基體反應與否，取決於形成基體氧化物的自由能，同時，還要看氣氛中氧的**情況。一般情況下，金屬基複合材料是以介面化學結合為主，有時也會有兩種或兩種以上介面結合方式並存的現象。另外，即使對於相同的組分、相同的工藝製備的複合材料，對應於不同的部位其介面結構也有較大差別。

通常將金屬基複合材料介面分成ⅰ、ⅱ、ⅲ三種型別：

ⅰ型介面代表增強體與基體金屬既不溶解也不反應（包括機械結合和氧化物結合）；ⅱ型介面代表增強體與基體金屬之間可以溶解；但不反應（即溶解與潤濕結合）；ⅲ型介面表示增強體與基體之間發生反應並形成化合物（包括交換反應結合和混合結合）見表1所示：

表1 金屬基複合材料體系的介面型別

①表示偽ⅰ型介面。

②該體系在低溫時生成ni4v。

③當兩組元溶解度極低時劃為ⅰ型。

表1中偽ⅰ型介面的含義是：按熱力學分析該種體系的增強體與基體之間應該發生化學反應，但基體金屬的氧化膜阻止反應的進行，反應能否進行，取決於氧化膜的完整程度。當氧化膜尚完整時，屬於ⅰ型介面；當工藝過程中溫度過高或保溫時間過長而使機體氧化膜破壞時，組分之間將發生化學反應，變為ⅲ型介面。

具有偽ⅰ型介面特徵的複合材料繫在工藝上宜採用固態法（加熱法、粉末冶金、擴散結合），而不宜採用液態浸滲法，以免變為ⅲ型介面而損傷增強體。

2. 金屬基複合材料介面微觀結構

金屬基複合材料介面是指金屬基體與增強體之間的化學成分和物理、化學性質明顯不同，構成彼此結合並能起傳遞載荷作用的微小區域。介面微區的厚度可以從乙個原子層到幾個微公尺。由於金屬基體與增強體的型別、組分、晶體結構、化學物理性質有很大差別，以及在高溫製備過程中有元素的擴散、偏聚、相互反應等，從而形成複雜的介面結構。

介面區包括了基體與增強體的接觸連線面、基體與增強體相互作用生成的反應產物與接觸連線面、基體與增強體相互作用生成的反應產物和析出相、增強體的表面塗層作用區、元素的擴散和偏聚區、近介面的高密度位錯區等。

金屬基複合材料中的典型結構主要有以下幾種：

（1）有介面反應產物的介面微結構：多數金屬基複合材料在製備過程中發生不同程度的介面反應。輕微的介面反應能有效地改善金屬基體與增強體的浸潤和結合，是十分有利的；嚴重介面反應將造成增強體的損傷和形成脆性介面相等，十分有害；介面反應通常是在區域性區域中發生的，形成顆粒、棒狀、片狀的反應產物，而不是同時在增強體和基體相接觸的介面上發生層狀物。

只有嚴重的介面反應才可能形成介面反應層。

金屬基複合材料介面

金屬基複合材料

金屬基複合材料基體材料

陶瓷基複合材料

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