金屬基復(fù)合材料（mmc）-科學(xué)網(wǎng)—博客

1、金屬基復(fù)合材料（MMC）,材料學(xué)院沈衛(wèi)平13693054652shenwp@mater.ustb.edu.cn,一、金屬基復(fù)合材料概述,1、金屬基復(fù)合材料的分類1 - 1、按增強(qiáng)材料分類： — 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料— 顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料1 - 2、按基體材料分類：— 鋁基復(fù)合材料— 鎂基復(fù)合材料— 鈦基復(fù)合材料— 高溫合金基復(fù)合材料— 金屬間化合物基復(fù)合材料

2、,2、金屬基復(fù)合材料的研究重點(diǎn),2、金屬基復(fù)合材料的研究重點(diǎn) 1）不同基體和不同增強(qiáng)相復(fù)合效果、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和性能； 2）增強(qiáng)相/基體的界面優(yōu)化、界面設(shè)計(jì)； 3）制備工藝的研究，以提高復(fù)合材料的性能和降低成本； 4）新型增強(qiáng)劑的研究開(kāi)發(fā)； 5）復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用。,二、金屬基復(fù)合材料的制備工藝,1、金屬基復(fù)合材料制備工藝概述1 - 1 金屬基復(fù)合材料制備工藝的研究

3、內(nèi)容以及選擇原則：1）基體與增強(qiáng)劑的選擇，基體與增強(qiáng)劑的結(jié)合：增強(qiáng)劑與基體之間應(yīng)具有良好的物理相容性和化學(xué)相容性。另外，如果在復(fù)合材料中使用高強(qiáng)度的纖維，就必須尋找具有高斷裂功的基體材料。在這方面，固態(tài)法制備方法更好一些，因鑄造合金一般具有較低的斷裂韌性。 2）界面的形成及機(jī)制，界面產(chǎn)物的控制及界面設(shè)計(jì)； 3）增強(qiáng)劑在基

4、體中的均勻分布：在選擇制備方法時(shí)，應(yīng)選擇那些使得增強(qiáng)劑更均勻、均質(zhì)排布（分布）的方法。在這方面，液態(tài)法與固態(tài)法相比較差。4）制備工藝方法及參數(shù)的選擇和優(yōu)化；5）制備成本的控制和降低，工業(yè)化應(yīng)用的前景。,金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：,金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類： 1）固態(tài)法：真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成型 / 擴(kuò)散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末冶金法。 2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。 3）

5、噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。 4）原位生長(zhǎng)法。,1 - 2、連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝,鋁合金 —— 固態(tài)、液態(tài)法碳纖維 鎂合金 —— 固態(tài)、液態(tài)法硼纖維 鈦合金 —— 固態(tài)法SiC纖維 高溫合金 —— 固態(tài)法氧化鋁纖維

6、 金屬間化合物 —— 固態(tài)法,1 - 3、不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝,鋁合金 — 固態(tài)、液態(tài)、原位生長(zhǎng)、噴射成型法 顆粒 鎂合金 —— 液態(tài)法 晶須 鈦合金 —— 固態(tài)、液態(tài)法、原位生長(zhǎng)法 短纖維 高溫合金 —— 原位生長(zhǎng)法 金屬間化合物 —— 粉

7、末冶金、原位生長(zhǎng)法,2、 先驅(qū)（預(yù)制）絲（帶、板）的制備,2 - 1 纖維/（基體箔材）聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）(圖9-1)：纏繞鼓(基體箔材)?纖維定向定間距纏繞?涂敷聚合物粘結(jié)劑定位。 圖9-1 纖維 / 聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）,2 - 2 等離子噴涂纖維 / 基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）：,纖維定向定間距纏繞 ? 等離子噴涂基體粉末定位（圖9-2）。 圖9-2

8、 等離子噴涂纖維 / 基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）示意圖,2 -3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲,圖 9-3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲原理圖,2 -3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲,采用磁控濺射等物理氣相沉積（PVD）手段將基體金屬均勻沉積到纖維表面（圖9-3、4）上，形成纖維/基體復(fù)合絲。使用這種復(fù)合絲制備復(fù)合材料時(shí)，主要是基體與基體之間的擴(kuò)散結(jié)合，有利于材料界面的改善；同時(shí)通過(guò)控制基體沉積層的厚度可控制纖維的體積比。,圖 9-4

9、 PVD法纖維表面金屬基體沉積層,2 - 4 粉末法纖維/基體復(fù)合絲,首先將金屬基體粉末與聚合物粘接劑混合制成基體粉末/聚合物粘接劑膠體，然后將纖維通過(guò)帶有一定孔徑毛細(xì)管的膠槽，在纖維表面均勻地涂敷上一層基體粉末膠體，干燥后形成一定直徑的纖維/基體粉末復(fù)合絲。復(fù)合絲的直徑取決于膠體的粘度、纖維走絲速度以及膠槽的毛細(xì)管孔徑等。由于在復(fù)合材料制備過(guò)程中需要預(yù)先徹底除去復(fù)合絲中的聚合物粘接劑膠體，因此要求聚合物粘接劑具有在真空狀態(tài)的低溫

10、下能夠完全揮發(fā)的特性。,圖9-5 粉末法纖維/基體復(fù)合絲示意圖,2 - 6 熔池法纖維 / 基體復(fù)合絲,圖 9-6 熔池法纖維 / 基體復(fù)合絲示意圖,這種復(fù)合絲制備方法主要是應(yīng)用于碳纖維或石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。由于碳纖維或石墨纖維與鋁液接觸會(huì)反應(yīng)生成Al4C3界面生成物。過(guò)量的脆性相Al4C3生成會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的性能。如圖9-6所示，對(duì)纖維進(jìn)行Ti-B或（液態(tài)）金屬鈉表面涂層處理可以增加纖維與鋁液的潤(rùn)濕性，防止過(guò)量

11、的脆性相Al4C3生成。,3、固態(tài)法（連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝）,圖9-6 真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合工藝流程示意圖 擴(kuò)散結(jié)合是制備連續(xù)纖維金屬基復(fù)合材料的傳統(tǒng)工藝。在一定溫度下的壓力下，把均勻排布在新鮮清潔表面的基體箔片或（復(fù)合）先驅(qū)絲通過(guò)基體金屬表面原子的相互擴(kuò)散而連接在一起（圖9-6）。擴(kuò)散結(jié)合在真空中進(jìn)行。其關(guān)鍵是熱壓工藝參數(shù)的控制，包括溫度、壓力和時(shí)間。其壓力應(yīng)有一定下限，防止壓力不足金屬不能充分?jǐn)U散包圍纖維而形成“眼角”

12、空洞缺陷。,3 – 2 熱等靜壓（HIP）,圖9-8 熱等靜壓制備金屬基復(fù)合材料管材示意圖熱等靜壓工藝是擴(kuò)散結(jié)合的一種手段。采用熱等靜壓工藝時(shí)，所得制品組織細(xì)化、致密、均勻，一般不會(huì)產(chǎn)生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其它內(nèi)部缺陷得到明顯改善，從而提高復(fù)合材料的性能。,3 – 3 模壓成型（Mold Forming）,圖 9-9 模壓成型制備金屬基復(fù)合材料示意圖 模壓成型也是擴(kuò)散結(jié)合的一種手段。將纖維/基體預(yù)制體放置在具

13、有一定形狀的模具中進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合，最終得到一定形狀的最終制品。常用這種工藝制備各種型材（圖9-9）。,3-4 超塑性成型/ 擴(kuò)散結(jié)合 （SPF / DB）,超塑性：材料在低負(fù)載作用下，拉伸變形時(shí)不發(fā)生縮頸，也不發(fā)生斷裂，延伸率可達(dá) 100% 到 2000% 的現(xiàn)象。塑性流變和應(yīng)變速度的關(guān)系如下： ? = K (e ) m 式中 ?：流變應(yīng)力；e：應(yīng)變速度；K：常數(shù)；m：應(yīng)變速度敏感指數(shù)，衡量超塑性的重要參數(shù)。 影響超塑

14、性的因素：1) 形變速度：10 -4 ~10 -1 /分2) 溫度：> 0. 5T m ，達(dá)到相變臨界點(diǎn)以下的某一溫度可得到最大的m值和延伸率。 3) 晶粒度： 穩(wěn)定、等軸、復(fù)相直徑為0.5 ?5 ? m的細(xì)晶粒。,3-4 超塑性成型/ 擴(kuò)散結(jié)合 （SPF / DB）,圖 9-10 超塑性成型/ 擴(kuò)散結(jié)合法制備金屬基復(fù)合材料葉片示意圖,3-5 粉末（冶金）法（Slurry Powder Metallurgy）,

15、為了解決使用金屬箔材成本高以及難以獲得Ti-Al金屬間化合物箔材的問(wèn)題，發(fā)展了粉末（冶金）（Slurry Powder Metallurgy）工藝。,粉末（冶金）法,首先將金屬基體粉末與聚合物粘接劑混合制成基體粉末/聚合物粘接劑膠體，可將膠體軋制成基體粉末薄帶（箔）；也可將纖維按一定間距排好，用粉末膠體固定，干燥后制成粉末/纖維預(yù)制片；也可按粉末法纖維/基體復(fù)合絲的制備方法制成復(fù)合絲。然后使用真空擴(kuò)散結(jié)合工藝制成復(fù)合材料制品（圖9-11

16、）。這種方法是一種低成本的工藝，其關(guān)鍵是聚合物粘接劑能夠完全揮發(fā)，否則聚合物殘留物將留在復(fù)合材料的界面，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的性能。因此選擇具在較低體積比的情況下有足夠粘度，而且在真空狀態(tài)的低溫下能夠完全揮發(fā)的聚合物粘接劑是至關(guān)重要的。,圖9-11 粉末（冶金）法制備金屬基復(fù)合材料示意圖,3 - 6 固態(tài)法制備工藝方法及參數(shù)的選擇和優(yōu)化固態(tài)法工藝的主要參數(shù)：,圖 9-12 固態(tài)法制備工藝的主要參數(shù)關(guān)系示意圖,1) 溫度、時(shí)間:

17、D = D0 exp （- Q / RT） D：擴(kuò)散系數(shù)；Q：擴(kuò)散激活能。 X = k t 1/2 X：反應(yīng)層厚度； k：反應(yīng)速度常數(shù)。2) 壓力：促進(jìn)結(jié)合面的接觸及在一定溫度下的金屬基體的塑性流動(dòng)。3) 結(jié)合面的清潔度：,4、 液態(tài)法（非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝4 - 1 壓鑄法（Squeeze Casting）,圖9-13 壓鑄法制備工藝示意

18、圖,4 - 1 壓鑄法（Squeeze Casting）,圖9-13 壓鑄法制備工藝示意圖,在壓力的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強(qiáng)材料預(yù)制體的空隙中，在壓力下快速凝固成型。 主要工藝因素有熔融金屬的溫度、模具預(yù)熱溫度、壓力和加壓速度等。在采用增強(qiáng)劑預(yù)制體時(shí)，壓力不低于50MPa，速度一般為1 ? 3cm/s。 P = ? ?MG / ?j P ：施加壓力； ?MG ：

19、熔體/氣氛界面能；?j ：熔體金屬前沿曲率半徑。,4 - 2 半固態(tài)復(fù)合鑄造（Semisolid Slurry Casting）,將顆粒加入半固態(tài)的金屬熔體中，通過(guò)攪拌使顆粒在基體中分布均勻，并取得良好的界面結(jié)合，然后將半固態(tài)復(fù)合材料注入模具進(jìn)行壓鑄成型。半固態(tài)復(fù)合鑄造時(shí)金屬熔體的溫度控制在液相線和固相線之間，通過(guò)攪拌，使部分樹(shù)枝狀結(jié)晶體破碎成固態(tài)顆粒。這種固態(tài)顆粒是非晶結(jié)構(gòu)，防止半固態(tài)熔體的粘度增加。當(dāng)加入預(yù)熱后的增強(qiáng)顆粒時(shí)

20、，因熔體中含有一定量的金屬顆粒，在攪拌中增強(qiáng)顆粒受阻而滯留在半固態(tài)熔體中而不會(huì)結(jié)集和偏聚，同時(shí)攪拌可促進(jìn)顆粒與金屬基體的接觸、反應(yīng)和潤(rùn)濕。此工藝控制的參數(shù)主要是：1）熔體的溫度應(yīng)使熔體達(dá)到30?50 %的固態(tài)；2）攪拌速度應(yīng)不產(chǎn)生湍流，使枝晶破碎成固態(tài)顆粒，降低熔體的粘度以利于增強(qiáng)顆粒的加入。,圖9-15 半固態(tài)復(fù)合鑄造原理圖,4 -3 噴射成型法（Ospray，Spray Co-deposition）,噴射沉積工藝是一種80年

21、代逐漸成熟的將粉末冶金工藝中混合與凝固兩個(gè)過(guò)程相結(jié)合的新工藝。如圖9-16所示，該工藝過(guò)程是將基體金屬在坩堝中熔煉后，在壓力作用下通過(guò)噴嘴送入霧化器，在高速惰性氣體射流的作用下，液態(tài)金屬被分散為細(xì)小的液滴，形成“霧化錐”；同時(shí)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴嘴向“霧化錐”噴射入增強(qiáng)顆粒，使之與金屬霧化液滴一齊在一基板（收集器）上沉積并快速凝固形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。,圖 9-16 噴射成型法示意圖,4 -3 噴射成型法（Ospray，Sp

22、ray Co-deposition）,該工藝具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（1）高致密度，可達(dá)到理論的95-98% 。（2）快速凝固，冷卻速度達(dá)103-106K / 秒，金屬晶粒和組織細(xì)化，成分均勻，很少或沒(méi)有界面反應(yīng)；（3）具有通用性和產(chǎn)品多樣性。（4）工藝流程短，工序簡(jiǎn)單，效率高，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。鋁基復(fù)合材料單坯可達(dá)250公斤。,4 - 4 無(wú)壓浸滲法（Lanxide法）,美國(guó)Lanxide公司開(kāi)發(fā)的一種新工藝。如圖9-17所示

23、，將增強(qiáng)材料制成預(yù)制體，放置于由氧化鋁制成的容器中。再將基體金屬坯料置于增強(qiáng)材料預(yù)制體上部。然后一齊裝入可通入流動(dòng)氮?dú)獾募訜釥t中。通過(guò)加熱，基體金屬熔化，并自發(fā)浸滲入網(wǎng)絡(luò)狀增強(qiáng)材料預(yù)制體中。,圖9-17 無(wú)壓浸滲法（Lanxide法）工藝原理示意圖,4 - 4 無(wú)壓浸滲法（Lanxide法）,以制備Al2O3/Al復(fù)合材料為例，將增強(qiáng)劑預(yù)制體放入同樣形狀的陶瓷槽中，鋁合金坯料放在預(yù)制體上。在流動(dòng)氮?dú)獾臍夥障?，加熱?00? 100

24、0?C時(shí)，鋁合金熔化并自發(fā)滲入預(yù)制體內(nèi)，氮?dú)馀c鋁反應(yīng)生成AlN?？刂频?dú)饬髁?、溫度和滲透速度，可控制AlN的生成量。AlN起到提高復(fù)合材料剛度、降低熱膨脹系數(shù)的作用，但強(qiáng)度較低。這是一個(gè)低成本的制備工藝。,5、 粉末冶金法（非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝）,圖9-18 粉末冶金法制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備流程圖,5、 粉末冶金法（非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝）,粉末冶金法也是一種制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料常采用

25、的工藝。其優(yōu)點(diǎn)如下：與液相法相比，制備溫度低，界面反應(yīng)可控；可根據(jù)要求設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能；利于增強(qiáng)相與金屬基體的均勻混合（對(duì)增強(qiáng)相與金屬基體的密度和潤(rùn)濕性要求不高）。其組織致密、細(xì)化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善；利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。但工藝流程較長(zhǎng)，成本較高是這種工藝的缺點(diǎn)。,6、原位（In situ）生長(zhǎng)（復(fù)合）法,增強(qiáng)相從基體中直接生成，生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性好，不存在基體與增強(qiáng)相之間的認(rèn)識(shí)潤(rùn)濕和界面反應(yīng)等問(wèn)題，基體

26、與增強(qiáng)相結(jié)合良好，較好的解決了界面相容性問(wèn)題。,6 – 1 共晶合金定向凝固,圖 9-19 二元共晶相圖及兩相平面穩(wěn)定生長(zhǎng),圖 9-20 棒狀及層片狀 TaC-Ni 共晶定向凝固組織,共晶合金定向凝固要求合金成分為共晶或接近共晶成分，開(kāi)始為二元合金，后發(fā)展為三元單變共晶，以及有包晶或偏晶反應(yīng)的兩相結(jié)合。定向凝固時(shí)，參與共晶反應(yīng)的? 和?相同時(shí)從液相中生成，其中一相以棒狀（纖維狀）或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成（圖9-19）。,6 – 1

27、共晶合金定向凝固,定向凝固共晶合金復(fù)合材料的原位生長(zhǎng)必須滿足三個(gè)條件：（1）有溫度梯度（GL）的加熱方式；（2）滿足平面凝固條件；（GL/VI = mL（CE – C0）/ DL （二元共晶合金的平面凝固條件）。 式中：GL：液相溫度梯度；VI ：凝固速度；mL：液相線斜率；CE：共晶成分：C0：合金成分；DL ：溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。（3）兩相的成核和生長(zhǎng)要協(xié)調(diào)進(jìn)行。,6 – 1 共晶合金定向凝

28、固,定向凝固共晶合金復(fù)合材料的凝固組織前進(jìn)取決于共晶中含量較少的體積分?jǐn)?shù)。在二元共晶合金中當(dāng)?I ? 32% 時(shí)呈纖維狀，當(dāng)?I ? 32%時(shí)為層狀（圖9-20）。在一定溫度梯度的條件下，纖維（層）狀間距 ? 與凝固速度VI之間的關(guān)系為： ?2 VI = K，其中K為常數(shù)。在滿足平面凝固生長(zhǎng)條件下，增加定向凝固的溫度梯度，可加快定向組織生長(zhǎng)速度，同時(shí)也可降低纖維（層）狀間距，有利于提高定向凝固共晶合金復(fù)合材料的性能。,6

29、– 2 直接金屬氧化法（DIMOXTM）,圖9-21 DIMOXTM法制備SiCF/ Al2O3/復(fù)合材料示意圖,6 – 2 直接金屬氧化法（DIMOXTM）,通過(guò)基體金屬的氧化或氮化來(lái)獲取復(fù)合材料。例如使用DIMOXTM法制備Al2O3 / Al時(shí)，在遠(yuǎn)高于鋁熔點(diǎn)900?1300?C的溫度下，通入促進(jìn)氧化反應(yīng)的合金元素Si 和Mg，使熔融鋁通過(guò)顯微通道滲透到氧化鋁層外部，并順序氧化；即鋁被氧化，但液態(tài)鋁的滲透通道未被堵塞?？筛?/p>

30、據(jù)氧化程度控制Al2O3的量。如果過(guò)程是在幾乎所有金屬被 Al氧化之前停止的話，所制備的復(fù)合材料就是致密的、含有5 ? 30% Al的、互連的Al2O3陶瓷基復(fù)合材料。除直接氧化外，還可直接氮化獲得AlN / Al、ZrN / Al和TiN / Ti等金屬或陶瓷基復(fù)合材料。 DIMOXTM工藝也可采用增強(qiáng)材料預(yù)成型體。增強(qiáng)材料預(yù)成型體是透氣的，金屬基體可通過(guò)滲透的氧或氮順序氧（氮）化形成基體，制備兩種增

31、強(qiáng)相復(fù)合材料（如SiCF / Al2O3 / Al復(fù)合材料等）。,6 – 3 反應(yīng)生長(zhǎng)法（XD TM）,該工藝可生成顆粒、晶須或共同增強(qiáng)的金屬和金屬間化合物基復(fù)合材料。根據(jù)所選擇的原位生長(zhǎng)的增強(qiáng)相的類別或形態(tài)，選擇基體和增強(qiáng)相生成所需的原材料，如一定粒度的金屬粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成預(yù)制體，并加熱到熔化或自蔓延燃燒（SHS）反應(yīng)發(fā)生的溫度時(shí)，預(yù)制體的組成元素進(jìn)行放熱反應(yīng)，以生成在基體中彌散的微觀增強(qiáng)顆粒、晶須和片晶等（圖9-

32、22）。,圖9-22 反應(yīng)生長(zhǎng)法（XD TM）工藝原理示意圖,6 – 3 反應(yīng)生長(zhǎng)法（XD TM）,XD TM工藝有以下特點(diǎn)：（1）增強(qiáng)相是原位生長(zhǎng)，具有熱穩(wěn)定性；（2）增強(qiáng)相的類型、形態(tài)可選擇和設(shè)計(jì)；（3）各種金屬或金屬間化合物均可作為基體；（4）復(fù)合材料可采用傳統(tǒng)金屬加工方法進(jìn)行二次加工。,三、金屬基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì),1、金屬基復(fù)合材料的界面,三、金屬基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計(jì),第一類界面：基體與增強(qiáng)相既不相互反應(yīng)

33、也不互溶。這類界面微觀是平整的，而且只有分子層厚度。界面除了原組成物質(zhì)外，基本不含其它物質(zhì)。第二類界面：基體與增強(qiáng)相既不相互反應(yīng)，但經(jīng)過(guò)擴(kuò)散 – 滲透相互溶解而形成界面。這類界面往往在增強(qiáng)相周圍，如纖維周圍，形成環(huán)狀，界面呈犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散層。第三類界面：界面處有微米和亞微米級(jí)的界面反應(yīng)物質(zhì)層。有時(shí)并不是一個(gè)完整的界面層，而是在界面上存在著界面反應(yīng)產(chǎn)物。,2、金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合,在金屬基復(fù)合材料中，需要在增強(qiáng)相和基體界面上建

34、立一定的結(jié)合力。在不同的界面結(jié)合受載時(shí)，如結(jié)合太弱，纖維大量拔出，強(qiáng)度低；結(jié)合太強(qiáng)，纖維受損，材料脆斷，既降低強(qiáng)度，又降低塑性。只有界面結(jié)合適中的復(fù)合材料才呈現(xiàn)高強(qiáng)度和高塑性。,金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合形式及界面穩(wěn)定性：,（1）機(jī)械結(jié)合：即基體與增強(qiáng)相既不相互反應(yīng)也不互溶的第一類界面。主要依靠增強(qiáng)劑的粗糙表面的機(jī)械“錨固”力和基體的收縮應(yīng)力來(lái)“包緊”增強(qiáng)劑所產(chǎn)生的摩擦力而結(jié)合。這種界面結(jié)合僅限于受載應(yīng)力平行于增強(qiáng)劑表面時(shí)才能承載。（2

35、）浸潤(rùn)與溶解結(jié)合：基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生潤(rùn)濕，相互溶解而形成界面結(jié)合的第二類界面。如相互溶解嚴(yán)重，也可能發(fā)生溶解后析出現(xiàn)象，如采用熔浸法制備鎢絲增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料以及碳纖維/鎳基復(fù)合材料在600?C下碳在鎳中先溶解后析出的現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象嚴(yán)重?fù)p傷了增強(qiáng)劑，降低了復(fù)合材料的性能。（3）化學(xué)反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化合物層（界面層）的第三類界面。大多數(shù)金屬基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)相之間在熱力學(xué)上是非平衡體系，也就

36、是說(shuō)在界面處存在著化學(xué)勢(shì)梯度。這意味著基體與增強(qiáng)相之間只要存在著有利的動(dòng)力學(xué)條件，就可能發(fā)生相互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)。,金屬基復(fù)合材料的界面化學(xué)反應(yīng)包括以下類型：,1）連續(xù)界面化學(xué)反應(yīng)：在制備過(guò)程的熱處理和復(fù)合材料熱使役過(guò)程，界面化學(xué)反應(yīng)可連續(xù)進(jìn)行。影響界面反應(yīng)的主要因素是溫度和時(shí)間。界面反應(yīng)物的量（或界面層厚度）隨溫度和時(shí)間的變化發(fā)生變化。如碳纖維/鋁基復(fù)合材料的界面層是因鋁原子擴(kuò)散進(jìn)碳原子，造成碳纖維表面的刻蝕，形成Al4C3。在400?

37、C以下，Al4C3的量基本是穩(wěn)定的；高于400?C時(shí)，反應(yīng)物量急劇增加。2）交換式反應(yīng)：增強(qiáng)相與含兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生反應(yīng)后，反應(yīng)產(chǎn)物還會(huì)與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不穩(wěn)定。如硼纖維/Ti-8Al-1Mo-1V復(fù)合材料，首先是含鋁的鈦合金與硼反應(yīng)：Ti（Al）+ B ? （Ti、Al）B2 ；該反應(yīng)產(chǎn)物可能與鈦繼續(xù)進(jìn)行交換反應(yīng)：（Ti、Al）B2 + Ti? TiB2 + Ti（Al）這樣，界面反應(yīng)物中的鋁

38、又會(huì)重新富集在基體合金一側(cè)，甚至形成Ti3Al金屬間化合物。,金屬基復(fù)合材料的界面化學(xué)反應(yīng)包括以下類型：,3）暫穩(wěn)態(tài)界面的變化：一般是由于增強(qiáng)相表面局部氧化所造成的。如在硼鋁復(fù)合材料中，硼纖維上吸附有氧，并生成不穩(wěn)定的BO2 。鋁與氧的親和力很強(qiáng)，在一定溫度下可還原BO2生成Al2O3。在長(zhǎng)期熱效應(yīng)的作用下，界面上的B02會(huì)發(fā)生球化，影響復(fù)合材料的性能。金屬基復(fù)合材料的化學(xué)反應(yīng)結(jié)合是其主要結(jié)合方式。以上反應(yīng)類型影響復(fù)合材料的界面穩(wěn)定性

39、。嚴(yán)格控制界面反應(yīng)是一個(gè)重要的課題。（4）混合結(jié)合：由于制備工藝、熱處理以及高溫使役過(guò)程的變化，造成第一類和第三類界面共存的混合結(jié)合界面。這反映了界面的不穩(wěn)定性。,3、金屬基復(fù)合材料的界面殘余應(yīng)力,在金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意增強(qiáng)纖維與金屬基體的物理相容性，即要求金屬基體有足夠的韌性和強(qiáng)度，以便能更好地通過(guò)界面將載荷傳遞給增強(qiáng)纖維；還要求在材料中出現(xiàn)裂紋和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不在增強(qiáng)纖維上形成高應(yīng)力。物理相容性中最重

40、要的是要求纖維和基體的熱膨脹系數(shù)匹配。如基體的韌性較強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)也較大，復(fù)合后容易產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，而纖維多為脆性材料，復(fù)合后容易產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。右圖為鋁基纖維復(fù)合材料（纖維體積比為50%）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，復(fù)合后纖維中出現(xiàn)殘余應(yīng)變?fr。在I 區(qū)，載荷完全由基體承受；II區(qū)為暫態(tài)的瞬態(tài)區(qū)；超過(guò)II區(qū)后復(fù)合材料才發(fā)揮作用。,圖9-23,3、金屬基復(fù)合材料的界面殘余應(yīng)力,當(dāng)纖維中殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，應(yīng)注意纖維的屈曲；當(dāng)基體中

41、中殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，應(yīng)考慮界面和基體中的裂紋擴(kuò)展。如果情況相反，那么纖維和 圖9-23基體正好發(fā)揮各自所長(zhǎng)。因此，在選擇金屬基復(fù)合材料的組分材料時(shí)，為避免過(guò)高的殘余應(yīng)力，要求增強(qiáng)纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不要相差很大。,4、金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化以及界面設(shè)計(jì),改善增強(qiáng)劑與基體的潤(rùn)濕性以及控制界面反應(yīng)的速度和反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴(yán)重危害復(fù)合材料性能的界面或界面層的產(chǎn)生，進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)，是金屬基復(fù)合材料界面研究的重要內(nèi)

42、容。從界面優(yōu)化的觀點(diǎn)來(lái)看，增強(qiáng)劑與基體的在潤(rùn)濕后又能發(fā)生適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)，達(dá)到化學(xué)結(jié)合，有利于增強(qiáng)界面結(jié)合，提高復(fù)合材料的性能。,金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化以及界面設(shè)計(jì)一般有以下幾種途徑：,4– 1 增強(qiáng)劑的表面改性處理增強(qiáng)材料的表面改性（涂層）處理可起到以下作用：（1）改善增強(qiáng)劑的力學(xué)性能，保護(hù)增強(qiáng)劑的外來(lái)物理和化學(xué)損傷（保護(hù)層）；（2）改善增強(qiáng)劑與基體的潤(rùn)濕性和粘著性（潤(rùn)濕層）；（3）防止增強(qiáng)劑與基體之間的擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)（阻擋

43、層）；（4）減緩增強(qiáng)劑與基體之間因彈性模量、熱膨脹系數(shù)等的不同以及熱應(yīng)力集中等因素所造成的物理相容性差的現(xiàn)象（過(guò)渡層、匹配層）；（5）促進(jìn)增強(qiáng)劑與基體的（化學(xué)）結(jié)合（犧牲層）。常用的增強(qiáng)材料的表面（涂層）處理方法有：PVD、CVD、電化學(xué)、溶膠-凝膠法等。SiC纖維 — 富碳涂層、SCS涂層等；硼纖維 — SiC涂層、B4C等；碳纖維 —TiB2涂層、C/ SiC復(fù)合涂層等。,4 – 2 金屬基體改性（添加微量合金元素）,在

44、金屬基體中添加某些微量合金元素以改善增強(qiáng)劑與基體的潤(rùn)濕性或有效控制界面反應(yīng)。（1）控制界面反應(yīng)。選擇的改性合金元素應(yīng)使界面反應(yīng)速度常數(shù)盡可能小，以保持第三類界面 的穩(wěn)定。如在純鈦中加入合金元素Al、Mo、V、Zr等可顯著減小鈦合金與硼纖維的反應(yīng)速度常數(shù)。 （2）增加基體合金的流動(dòng)性，降低復(fù)合材料的制備溫度和時(shí)間。如采用液態(tài)浸滲法制備鋁基復(fù)料時(shí)，在鋁液中加入一定量的Si元素，明顯地降低了鋁合金的熔點(diǎn)、提高了鋁液的流動(dòng)性，因而降低

45、了復(fù)合材料的浸滲溫度。,4 – 2 金屬基體改性（添加微量合金元素）,（3）改善增強(qiáng)劑與基體的潤(rùn)濕性。在基體合金中加入與可與增強(qiáng)劑表面反應(yīng)而生成薄層反應(yīng)層，增加增強(qiáng)劑的表面能、或不與增強(qiáng)劑表面反應(yīng)但可降低基體液相的表面能的合金元素。如將3%的合金元素鎂作為活性元素添加到鋁中后，可使液態(tài)鋁的表面能下降。一般基體合金元素應(yīng)考慮為增強(qiáng)劑組成元素化學(xué)位相近的元素。因?yàn)榛瘜W(xué)位相近的元素親和力大，容易發(fā)生潤(rùn)濕；另外，化學(xué)位是推動(dòng)反應(yīng)的位能，差別小

46、發(fā)生反應(yīng)的可能性亦小。,4 – 3 優(yōu)化制備工藝參數(shù)，采用新工藝。,氫是鈦合金中的強(qiáng)β相穩(wěn)定元素氫的溶如入可 擴(kuò)大相圖中β相區(qū)；降低β相轉(zhuǎn)變溫度。滲氫可明顯降低合金熱變形時(shí)的流變應(yīng)力，提高塑性，特別是高鋁含量的超α合金和Ti3Al金屬間化合物，使熱變形在較低溫度下實(shí)現(xiàn)；同時(shí)由于氫在鈦合金中的溶解是可逆的，真空退火可將氫濃度控制在安全范圍內(nèi)。利用這一特性，在制備鈦合金復(fù)合材料時(shí)，在基體鈦中加入臨時(shí)氫工藝可顯著地降低制備溫度，改善復(fù)合材料

47、界面狀況（圖9-24）,4 – 3 優(yōu)化制備工藝參數(shù)，采用新工藝,（a）815℃原位充氫熱壓； （b）900℃真空熱壓圖9-24 Ti-6Al-4V/SiC復(fù)合材料的結(jié)合情況,四、金屬基復(fù)合材料的性能,1、金屬基復(fù)合材料的一般性能特點(diǎn) 1 -1 高比強(qiáng)度、比剛度 表9-2 金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表,纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量明顯高于金屬基體；顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的比強(qiáng)度雖無(wú)明顯增加，但比模