《复合材料原理》金属基复合材料界面控制

复合材料原理2021/10/10星期日1ppt课件第九讲金属基复合材料界面控制1强结合及其失效机制2界面问题与纤维涂层3界面反应与界面控制2021/10/10星期日2ppt课件金属基复合材料引入增强体的目的：提高刚性、抗蠕变性、抗磨损性要求不引起韧性的显著降低基体塑性对韧性的作用比纤维拔出显著，差的界面结合会导致材料过早失效，强界面结合可以发挥基体塑性。1强结合及其失效机制1.1金属基复合材料的界面要求2021/10/10星期日3ppt课件1强结合及其失效机制Experimentalandpredictedvariationofcompositestrengthwithinterfacialreactionlayerthicknessforaxialtensileloadingoftwolongfibrecomposites-CPTiandTi-6Al-4VmatricesreinforcedwiththeSCS-6monofilament(Onzawaetal.,1991).Thepredictionswereobtainedusingasimplefracturemechanics-basedmodel.无影响区1.1金属基复合材料的界面要求2021/10/10星期日4ppt课件金属基复合材料要求强结合：1强结合及其失效机制界面类型强度(MPa)结合方式光滑有反应65化学结合光滑无反应(石墨阻挡层)35弱结合不光滑无反应91机械结合Al/W(纤维)，Al/W之间存在界面反应需要界面层MMC界面结合类型对性能影响很大MMC允许发生界面化学反应MMC界面机械结合强度也可以很高1.1金属基复合材料的界面要求2021/10/10星期日5ppt课件

平衡状态基体中的位错缺陷在应力的作用下将发生运动(向哪里运动？向应力最大的地方)，由于纤维两端的基体受剪应力最大，因而位错将容易向应力集中的地方运动而聚集。位错集中到一定程度时，界面将发生屈服，应力将得到松弛，但同时生成二次位错。1强结合及其失效机制1.2金属基复合材料的失效机制2021/10/10星期日6ppt课件二次位错聚集到一定程度时，将发生塑性流动，因而产生空穴，载荷增加时，空穴将进一步增大：当空穴增大到一定程度时，将对界面产生撕裂作用，因而界面将产生滑移。这一过程将伴随有加工硬化，因为位错相互交织时运动困难。1强结合及其失效机制1.2金属基复合材料的失效机制2021/10/10星期日7ppt课件二次位错生成聚集界面剪应力松弛界面基体塑性流动纤维端部产生空穴空穴增大与基体硬化界面撕裂裂纹沿界面扩展纤维拔出载荷增加纤维两端剪应力增加热力学位错向剪应力区运动界面屈服屈服界面的破坏过程1强结合及其失效机制1.2金属基复合材料的失效机制2021/10/10星期日8ppt课件2界面问题与纤维涂层一定的界面化学反应能增加界面结合强度，对增强有利。过量的界面化学反应能增加界面的脆性倾向，对增强不利(界面脆性容易产生应力集中)。因此，MMC的界面化学反应是所希望的，但应该是控制、适度的。表面涂层处理：

(1)改善润湿性，提高界面结合强度

(2)防止过渡界面反应，降低界面脆性2.1界面化学反应2021/10/10星期日9ppt课件扩散控制的反应层厚度

x2=Dt120h20406080tx2无涂层B/TiB4C涂层B/TiSiC涂层B/TiB纤维/Ti基体2界面问题与纤维涂层涂层能控制界面反应，有了涂层基体元素越过涂层扩散与纤维发生反应或纤维元素越过涂层扩散与基体反应将受到抑制。与纤维和基体具有相同组元的涂层防止界面反应的作用最强，因而B4C对纤维的防护作用最好2.1界面化学反应2021/10/10星期日10ppt课件C/Al复合材料的润湿2界面问题与纤维涂层 900℃以下：C/Al的润湿性很差，很多人认为C/Al不润湿，原因是Al很容易氧化生成Al2O3氧化膜，即使是在室温空气中也极易发生。 900℃以上：

Al2O3＋Al=3AlO(g)反应发生，Al2O3膜消失，剩下纯净的Al与C是润湿的，润湿角为60

左右。因此，Al2O3的消除，润湿性的提高只能依靠温度。2.1界面化学反应2021/10/10星期日11ppt课件500℃以上纯净的Al与C即发生反应生成Al4C3

：

4Al＋3C＝Al4C3

。2界面问题与纤维涂层900℃以上这种反应更为剧烈而且生成的Al4C3晶粒更为粗大，是一种脆性相。C/Al复合材料的界面反应2.1界面化学反应2021/10/10星期日12ppt课件脆性相：损伤C纤维，使界面裂纹容易扩展造成脆性破坏。温度低，Al-C不润湿。温度高，Al-C反应生成脆性相。这种反应是应该抑制的。CVDSiC涂层可以有效地抑制这种反应。但CVDSiC－Al之间存在不良界面反应，所以不能实现强界面结合。因而需在CVDSiC涂层上制备SiO2涂层。2界面问题与纤维涂层2.1界面化学反应2021/10/10星期日13ppt课件SiO2与Al液存在界面反应：

3SiO2

＋4Al=2Al2O3+3Si这种反应可以通过控制SiO2涂层的厚度来加以控制。因此最后的MMC体系为：

C/SiC/SiO2/Al。用碳纤维制备MMC时：制备涂层很不方便，制备涂层的纤维柔韧性很差，不容易制备编织体复合材料及复杂件。2界面问题与纤维涂层2.1界面化学反应2021/10/10星期日14ppt课件更多的使用NicalonSiC纤维：研究复合材料的人都知道，NicalonSiC纤维在出厂时就有一类是存在表面C层的，可以直接用来制备MMC，可以避免上面的两个问题

2界面问题与纤维涂层Nicalon与Al没有反应，界面不能实现强结合，用C层控制界面反应发生的程度，不过C纤维制备的MMC如果界面层设计合理，性能更好，因为C纤维强度更高。2.1界面化学反应2021/10/10星期日15ppt课件控制界面层必须考虑高温下熔体对纤维及纤维表面层的溶解与侵蚀。纤维及其表面层在金属熔体中均具有一定的溶解度，因而溶解和侵蚀是不可避免的。对于SCS纤维/Ti复合材料：SCS直径较大，C芯SiC涂层纤维

SCS-0/Ti

SCS-0无C层

1300℃，30s，只发生溶解，无连续反应产物生成溶解厚度：

＝a+bt+ct22.2界面溶解与侵蚀2界面问题与纤维涂层2021/10/10星期日16ppt课件SchematicofSCS-6fiber.P.R.SMITH,JOURNALOFMATERIALSSCIENCE33(1998)5855–5872TextronSpecialtyMaterials(Lowell,MA)usingCVDprocessing.TheSCS-6fiberis142

mindiameterandisproducedviasingle-stageCVDdepositionontoa33

mdiametercarbonmonfilament(CMF).2界面问题与纤维涂层2.2界面溶解与侵蚀2021/10/10星期日17ppt课件

SCS-6/TiSCS厚的C层

C－SiC－CSiC在Ti熔体有一定溶解度，

1300℃60s

一方面反应：生成不均匀的TiCC+Ti=TiC

一方面溶解：富C层线性溶解R＝1.4

10-6cm/s

无涂层SCS－0抛物线性溶解，等温和放热有涂层SCS－6线性溶解，等温，C层溶完后，抛物线性溶解。2界面问题与纤维涂层2.2界面溶解与侵蚀2021/10/10星期日18ppt课件C/Al复合材料自由C＋Al

Al4C3

Al4C3

片状Al4C3

生长机制两种：(1)C通过Al4C3

向外扩散，Al4C3

薄时，时间短，Al4C3

来不及进行优先取向调整生长。(2)Al4C3厚时，C扩散慢，时间长，取向生长，片状。

不连续连续2界面问题与纤维涂层2.2界面溶解与侵蚀2021/10/10星期日19ppt课件

NicalonSiC/Al复合材料使用NicalonSiC纤维时，如果没有C涂层，SiC纤维溶解、并与Al反应生成片状Al4C3，使用C涂层时，也会生成Al4C3柱状晶2界面问题与纤维涂层2.2界面溶解与侵蚀2021/10/10星期日20ppt课件基体改性，改变合金成份

好的润湿性

界面结合强度高。在合金中加入活性元素，如在Ni中加入Cr。活性元素偏聚在f/M界面上，降低界面能，提高润湿性。或者，在界面上与纤维发生反应，这是一种可以控制的反应。在纤维表面形成很薄的反应层，反应层与合金具有很好的润湿性，润湿性好，才能充填纤维束和丝之间的间隙。基体改性很少采用。3.1基体改性3界面反应与界面控制2021/10/10星期日21ppt课件溶质元素可以减少碳纤维的溶解和界面反应：SystemAl-C(Al/Fe)-C(Al/Ga)-CE1030.430.230.38System(Al/Zn)-C(Al-Mg)-C(Al-Si)-CE1034.86.07.1提高活化能，减少碳纤维溶解Al4C3速度常数溶质元素对C在Al中溶解的影响阻止碳在反应产物中的扩散3界面反应与界面控制3.1基体改性2021/10/10星期日22ppt课件溶质元素在界面偏聚形成溶解和反应阻挡层：3界面反应与界面控制3.1基体改性2021/10/10星期日23ppt课件基体沉淀强化对性能影响很大：Nextel610/Al-2243界面反应与界面控制3.1基体改性2021/10/10星期日24ppt课件纤维内部界面反应产生碳化物裂纹源降低纤维强度：Trimarc：W(12.5μm)/SiC(115μm)(a)原始纤维，(b)1085ºC高温处理，(c)1085ºC高温和萃取处理W芯SiC纤维内部存在界面反应，C芯SiC不存在界面反应P.R.SMITH,JOURNALOFMATERIALSSCIENCE33(1998)5855–58723界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日25ppt课件Effectofcore/SiCreactiononTrimarc1®fiberstrengthGriffithcriterionforcracksinbrittlematerials=Fiberstrength(GPa)X=Cracklength(m)reactionzonethicknessC=constantdeterminedfortheas-processedcondition纤维内部界面反应产生碳化物裂纹源降低纤维强度：3界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日26ppt课件纤维与基体界面反应产生脆性碳化物和金属间化合物：Trimarc：W(12.5μm)/SiC(115μm)/Ti-22Al-23Nb(a)烧结，(b)烧结后1085ºC处理，(c)烧结后1160ºC处理P.R.SMITH,JOURNALOFMATERIALSSCIENCE33(1998)5855–58723界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日27ppt课件SCS-6：C(33μm)/SiC(110μm)/Ti-22Al-23Nb(a)烧结，(b)烧结后1085ºC处理，(c)烧结后1160ºC处理3界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性纤维与基体界面反应产生脆性碳化物和金属间化合物：2021/10/10星期日28ppt课件碳涂层的防护效果更好，纤维强度没有明显下降：UltraSCS-6：C(33μm)/SiC(110μm)/Ti-22Al-23Nb(a)烧结，(b)烧结后1085ºC处理，(c)烧结后1160ºC处理3界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日29ppt课件大直径UltraSCS-6：C(33μm)/SiC(110μm)/Ti-22Al-23Nb(a)烧结，(b)烧结后1085ºC处理，(c)烧结后1160ºC处理碳涂层太薄，不有效防止基体与纤维的界面反应：3界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日30ppt课件W(14μm)/SiC(94μm)/C(5μm)/Ti-6Al-4VVHPfor1h：(a)850ºC，(b)900ºC，(c)950ºC界面反应消耗碳涂层，温度越高速度越快：Scriptamater.44(2001)607–6123界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日31ppt课件温度ºCC涂层消耗速度(10-6cm/s1/2)反应层生成速度(10-6cm/s1/2)8500.1720.2329000.2080.2579500.2570.468对比：SCS-6SiC/Ti:0.67

10-6at900

C

0.7–1.1

10-6

cm/s1/2at875–925

CScriptamater.44(2001)607–6123界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日32ppt课件温度太低界面不润湿，温度太高界面反应太强：纤维：W(12.5μm)/B(88μm)基体：Ti(99.5%)3界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日33ppt课件界面结合控制可以使性能符合混合法则：W(12.5μm)/B(88μm)99.5%Ti3界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日34ppt课件Tensileproperties纤维Ni-coatedCf基体2014Al复合材料2014Al-30%CfUTS(MPa)2555206839Modulus(GPa)22173104Elongation(%)1.259.001.98不适当的界面反应使性能偏离混合法则：UTS(Experimental)=839MPaUTS(Theoretical)=911MPaModulus(Experimental)=104MPaModulus(Theoretical)=118MPaC(F)/Ni/2014Al(M)(T=730ºC)MaterialsScienceandEngineeringA391(2005)114–1203界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日35ppt课件纤维表面的Ni涂层提高了纤维表面能，促进铝熔体与纤维的润湿，使金属/碳界面变为金属/金属界面。3界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日36ppt课件如果纤维/基体界面弱，裂纹产生后沿着界面扩展如果界面和基体都强,纤维断裂后裂纹扩展.如果基体比界面弱，基体内形成孔洞、孔洞长大，基体断裂.3界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日37ppt课件裂纹始于基体而不是界面：C(F)/Ni/2014Al(M)(T=730ºC)AstronginterfaceMaterialsScienceandEngineeringA391(2005)114–1203界面反应与界面控制3.2界面反应与纤维表面改性2021/10/10星期日38ppt课件多功能复合涂层设计需要考虑应力导致的裂纹起始：沉积阻挡层反应结合层沉积阻挡层沉积防护层反应阻挡层SiC(F)/C/SiC/Si/TiSi2/Ti5Si3/Ti-6Al-4V(M)沉积防护层反应阻挡层SiC(F)/C/TiC/Ti-6Al-4V(M)反应结合层沉积阻挡层沉积防护层SiC(F)/C/TiB2/TiB/Ti-6Al-4V(M)3界面反应与界面控制3.3界面反应与界面应力2021/10/10星期日39ppt课件SiC(F)/Si/TiSi2/Ti5Si3/Ti-6Al-4V(M)界面应力(T=850ºC)热物理失配产生很高界面裂纹扩展应力损伤纤维：体积变化3界面反应与界面控制3.3界面反应与界面应力2021/10/10星期日40ppt课件热化学反应产生的界面应力对损伤纤维不大：SiC(F)/C/SiC/Si/Ti-6Al-4V(M)界面应力(T=850ºC)体积变化3界面反应与界面控制3.3界面反应与界面应力2021/10/10星期日41ppt课件界面应力离纤维越近，裂纹扩展对纤维损伤越大：SiC(F)/C/TiC/Ti-6Al-4V(M)界面应力(T=850ºC)热物理应力热化学应力反应层反应层3界面反应与界面控制3.3界面反应与界面应力2021/10/10