第七章 金属基复合材料界面 表界面

1、7.1 金属基复合材料的种类和基本性能 随着现代科学技术的飞速发展，人们对材科的要求越来越高。 在结构材料方面，不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。 金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。,第七章 金属基复合材料界面,金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。,作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、SiC和C纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的形式用于MMC中。,MMC的SEM照片,第七章 金属基复合材料界面,金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、氮化物

2、、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。 碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。,硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG后的数字为含Co量，YT后的数字为碳化钛含量。 硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使用。,以金属或合金为基体的复合材料。 增强物主要有高性能增强纤维、晶须、颗粒等为增强体; 基体:铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热金属基、金属间化合物等复合材料。 目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟。高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性好、高导热导电

3、性、低膨胀、高阻尼、耐磨性。用于高性能结构件、电子、仪器、汽车等工业。,金属基复合材料MMC,MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。,航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁架,1.金属基复合材料（MMC)界面类型,金属基复合材料（MMC)界面类型,界面平整；分子层厚度；除原组成外不含其它物质,界面为原组成物质构成的犬牙交错的溶解扩散界面,界面有亚微米级择优的界面反应物层,7.1金属基复合材料的种类和基本性能,MMC界面结合形式分五种： （1）机械结合 无化学作用的I类界面，作用力为粗糙表面的机械铆合和基体的收缩应力包紧

4、纤维产生的摩擦结合。,基体,纤维,机械结合界面示意图,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. MMC的界面结合及制造工艺条件对结合的影响,II类结合的特点：作用力短，只有几个原子距离；增强体存在氧化物膜，使增强体与基体不润湿，需要破坏氧化物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，采用表面镀层处理（如CVD)使两相之间的接触角小于90，产生润湿，形成一定的结合作用力。 （3）反应结合形成类界面 其特征是在界面上生成新的化合物层。 (

5、4l氧化结合 这是-种特殊的化学反应结合，因为它是增强体表面吸附的空气所带来的氧化作用 O2 Al B纤维 BO2 B + Al2O3 （5）混合结合,（2）溶解和润湿结合II类结合,B,Ti,TiB2,(1)物理不稳定因素 a. 不稳定因素主要表现为增强体与基体在高温条件下发生溶解现象。 钨丝增强镍基合金, 在1100左右使用50小时，则钨丝直径仅为原来的60 b.界面上的溶解作用有时还会出现先溶解又析出的现象。 溶解又析出的过程可使增强体的聚集态形貌和结构发生变化。 见下面示意图：,金属基复合材料的主要特点在于它能比树脂基复合材料的使用温度高 对金属基复合材料的界面要求：在高温条件，长时间

6、保持稳定。影响MMC界面稳定性两类因素：,3. 金属基复合材料界面的稳定性,图示为碳镍 复合材料经热处理后的形貌和表明碳石墨化的x射线衍射结果,碳纤维增强镍复合材料，在高温下(600以上)碳会先溶入镍，而后又析出，析出的碳都变成石墨结构，同时由于碳变石墨使密度增大留下了空隙，给镍提供渗入碳纤维扩散聚集的地方，结果使碳纤维的强度严重降 低。而且随着温度的提高，镍渗入量的增加，碳纤维强度急剧下降.,SEM the fracture surface of a silver-copper alloy reinforced with carbon fibers.,化学不稳定因素主要是复合材料在加工工艺和

7、使用过程中发生的界面化学作用所致，包括：连续界面反应；界面交换反应；暂稳态界面 连续界面反应：增强体的原子通过界面层向基体扩散或者是基体原子通过界面层向增强体扩散的反应。,钛硼纤维MMC界面反应后的形貌,(2)化学不稳定因素,主要发生在当基体为含有两个或两个以上元素的合金时: 第一步: 增强体与合金中所有能与之起反应的元素形成一些化合物。因此该元素的化合物将富集于界面层中，同时化合物的元素与基体中的元素不断交换直到平衡。 第二步造成在界面层附近的合金基体中缺少在化合物中富集的某元素起反应，从而使非界面化合物的其它元素在界面层附近富集起来，这是一个扩散入和排斥出界面层的过程。,交换式界面反应的不

8、稳定因素,暂稳态界面的变化是一种较少的不稳定因素，一般是由于增强剂表面局部存在氧化物所致。,(1)铝基复合材料 (2)镍基复合树树 (3)钛基复合材料,7.2按基体分类,这是在金属基复合材料中应用得最广的一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。,(1)铝基复合材料,制在造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。这主要是由决定于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来。,这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高

9、温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。 人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温度。 但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。,(2)镍基复合材料,钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温时比铝合金能更好地保持其强度。,(3)钛基复合材料,因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更大的优越性。随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计，采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。,基体和增

10、强体的热膨胀系数,钛基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。,2. 按增强体分类 (1)颗粒增强复合材料 (2)层状复合材料 (3)纤维增强复合材料,(1)颗粒增强复合材料 这里的颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。,此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1um。 在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。,虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但是基体性能也很重要。 除此以外，这种材料的性能还对界面性能及

11、颗粒排列的几何形状十分敏感。,(2)层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。,层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。 因为增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。,由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。 然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。,(3)纤维增强复合材料 金属基复合材料中的纤维根据其

12、长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须，它们均属于一维增强体。 因此，由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。,7.3 金属基复合材料的界面表征,复合材料的性能与 界面性质紧密相关,界面结合状态,微结构特征,应力状态,界面的相组成和微结构,界面区的成分及其分布,近界面基体一侧的位错密度及其分布,界面微区形貌结构 和成分分析的手段,分析电镜 （AEM),在获得高分辨率图像(0.3nm) 进行微束电子衍射测定结构,x 射线能谱(EDS),电子能量损失谱(EELS),对2040nm的微区进行成分(包括轻 元素)分析和研究原子的键合状态，因而是分析界面的强有力工具,左图为横跨整个界面的线扫描 A: Ti 高 C、Si 低 B： Ti 、Si升高， 降低 C Ti 、Si 、C升高，SEM观测到TiC，Ti5Si3 D Ti 、C高，Si 0 TiC E SiC,Ti6Al4V合金,SiC,SiC/Ti-6Al-4V复合材料界面,A,E,金属基复合材料的界面形貌、结构成分 左图： SiC/Ti-6Al-4V复合材料界面不同部分的俄歇电子能谱 “1” Ti6Al4V合金；“2” TiSi化合物 “3” TiC; “4” SiC,界面区的位错分布,Gv/Al复合材料中界面附近区域的位错组态图像 (a)明场像 (b)弱束暗场像