SiC_Al复合材料界面反应的热力学分析

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界面产物的热力学稳定性分析
’, &, ’ 界面生成 8$< 6) 的热力学稳定性分析 表 中反应式 ! 生成 8$< 6) ，通过式 （ )） 计算得该反应 12334 自由能变化为
! # !’ " )’ &#!, 9* = *+, ’99 %$% % ( )*>, !>9 #< % (
成稳定的 8$< 6) ；不同温度的 -# 52 随温度的上升而下 降， 且在 ’ ’## ; 时有一个突变 , 当温度 % A ’ ’## ;， 平衡时界面上的-# -# 52 较 %) ’ ’## ; 时大， 8$ 6 较 %) 在 ’ #!) : ’ &!) ; 温度 ’ ’## ; 时小 , 文献 / 9 0 指出， 内， 52 的质量分数小于 ’#! 时， 8$< 6) 是稳定的 ,
()* + ,- 复合材料具有较高的比强度、比刚度、 弹性模量、 耐磨性和低的热膨胀系数等性能， 且制造 成本低， 在航空航天、 军事领域及汽车、 电子仪表等 行业中显示出巨大的应用潜力 % 然而，在制备过程 中，由于 ,- 基体与 ()* 颗粒增强体之间的高温接 触，可能发生多种界面反应 % 其反应影响着复合材 料的微观结构和结合状态，最终会对复合材料的宏 观物理性能产生较大影响 % 随着对复合材料界面 研究的不断深入，发现复合界面效应与基体及增强
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’!, &&* * ? ’# ( ) %& ( <!, *&+ ? ’#* % ( ’ = <, ’#& * ? ’#> % ( ’ , 某一温度下， 平衡时满足
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’, &, & 界面生成 BC8$&D< 的热力学稳定性分析 在界面上生成 BC8$& D< 可能的反应有方程式 $ 反应式$ ， ( %， & ( %可通过反应式 ’ ( $的线性
" 界面上生成 ;<,-$ =9 的反应过程以及生成物的比例， 受界面 ;<、 !#$ # ’’’ > 时有一个跳跃； ,- 活度的影响较大， # 且这些值随温度的升高而升高 % 存在临界 !’ !’ ;<， ,- 和 !,- 值，
关键词： ()* + ,- 复合材料；界面反应； ,-9 *: ； ;<,-$ =9 中图分类号： ?@’&’% 9 文献标志码： ,
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确定-8$ 6 和 -52 在双常用对数坐标系中的线性关系， 点 # 为在式（ 确定的对应温度下生成稳定 8$< 6) 时 >）
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# 以及-# -8$ 6 的最低值， 8$ 6 和 -52 的最大值 -52, 由图 ) 还可知，平衡时 -52) -# 52，界面上不能生
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Q#R
过程中， 可能存在的反应如表 # 所示 Q $ J #! R %
表’ !"#( $ %& 复合材料制备中可能的化学反应 (-.."+&/ 01/2"0*& 3/*04"-5. "5 41/
化学反应方程式 :()* K 0 L O 9,- K - L P ,-9 *: K 0 L O :() K 0 L :()=$ K 0 L O 9,- K - L P $,-$ =: K 0 L O :() K 0 L ()=$ K 0 L O $;< K - L P $;<= K 0 L O () K 0 L $()=$ K 0 L O ;< K - L O $,- K - L P ;<,-$ =9 K 0 L O $() K 0 L ;<= K 0 L O ,-$ =: K 0 L P ;<,-$ =9 K 0 L :;< K - L O 9,-$ =: K 0 L P :;<,-$ =9 K 0 L O $,- K - L $;<= K 0 L O 9,- K - L O :()=$ K 0 L P $;<,-$ =9 K 0 L O :() K 0 L :;< K - L O ,-$ =: K 0 L P :;<= K 0 L O $,- K - L ()* K 0 L P () K 0 L O * K 0 L ,-9 *: K 0 L P 9,- K - L O :* K 0 L $;< K - L O () K 0 L P ;<$ () K 0 L ()* K 0 L O 9,- K - L O $=$ P () K 0 L O ,-9 =9 * K 0 L ,-9 *: K 0 L O #N2$ = K < L P 9,- K =2 L : K 0 L O :*=$ K < L O #$2$ K < L
#
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界面反应的热力学分析
界面可能发生的化学反应
在铝和铝合金中，除了铝之外，常见的元素有 硅、 镁、 铜、 铁等， 其存在形式多样， 通常还伴随有氧、 氮、碳等元素的存在 % 在 ()*S + ,- 复合材料的制备
#, （ T #’ J " +:； $） : 进一步积分， 并左右均乘以温度 +， 得到反应过程中
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和气氛的影响， $%-8$ 6 和 -52 的变化范围是有限的 , 由于 526 的分解反应式 " ， -52 与 -. 满足平衡
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关系， 即
! -!. $% -6 = $% -52 " ( # !9 7 ,% , 图 & 为不同温度 -6 ? -52 的量值，即当 -6 " ’
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宁
夏
时，-52 的值或 -52 " ’ 时 -. 的值， 或不同温度下 526 中 -52 或 -6 的最低值 ,
在反应式# 中， -8$ 6 和 -. 的平衡关系式为 ! )$% -6 = <$% -8$ ( $%-8$ 6 " ( #!’# 7 ,% ； （ >） 将 -8$ 视为 ’，-8$ 6 和 -6 的值在双常用对数坐标系 中满足斜率为 ) 的线性关系 , 当界面上富硅时，将 由式 （ 可得界面上生成稳 得到的 -. 最低值代入， !） 定 8$< 6) 的最低活度 - 图 ) . , 由图 ) 可知， 一系列直 线 --@分别为 % " 9##， …， 由式 （ 9*#， ’ )*# ; 时， +）
房国丽 #， 李
（ 宁夏 银川 #% 宁夏大学 物理电气信息学院， 摘
$ 进 #， ， 杨智春 $
陕西 西安 !&’’$# ；$% 西北工业大学 航空学院，
!#’’!$ ）
要： 为有效控制 ()* + ,- 复合材料制备过程中的界面反应， 分析了 ()* + ,- 复合材料可能发生的界面反应， 并
基于 .)//0123-456-78 方程式和化学反应的热力学平衡条件，应用基本热力学数据，计算了反应标准 .)//0 自由 能随温度的变化值 % 根据化学平衡理论，进一步分析了在界面上生成的 ,-9 *: 和 ;<,-$ =9 的热力学稳定性 % 结 界面上不能生成稳定的 ,- 9 * : ， 且 !’ 在 果表明： 当界面上硅活度大于某一临界值 !’ () 时， () 随温度的升高而下降，
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体两材料之间的润湿、 吸附、 相容等热力学问题密切 相关， 与两材料本身的结构、 形态及物理、 化学等性 质密切相关 Q $ R % 在 ()* + ,- 复合材料制备过程中， 由 不同型号的铝合金基体、 于不同的 ()* 预处理工艺、 不同的制备工艺均对应着不同的界面反应，且界面 反应对两相之间的浸润性有很大的影响 Q : J & R % 本文通过分析复合材料界面可能发生反应的热 力学条件及生成物 ,-9 *: 和 ;<,-$ =9 的热力学稳定 性， 进一步分析了界面反应过程， 推断切合实际可能 的界面反应模型 %
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即 # !! 对温度的函数关系式， #( # !! " # "# # $# % & # ’%$% % & ) ’# ( ) %& & & #* #+ （ ) ’#* % ( ’ & ) ’# ( + %) , )） & + 式 - ) . 中： 相关热力学参数 # "# ， # $# 为积分常数； ’， (， *， + 可从无机物热力学数据手册中得到 / ’! 0 , 根据相应的化学反应方程式，计算反应 # ’ ， ， 得到反应式! ( ’’ 的标 代入式 （ # (， # *， # +， )） 准 12334 自由能对温度的定量关系 , 制备 526 7 8$ 复合材料的温度一般在 9## : ’ )*# ; ，因此，本文 在计算中采用的热力学参数 ’ ， (， *， + 均为 9## : ’ )*# ;, 图 ’ 描 述 了 表 ’ 中 反 应 ! ( ’’ 的 标 准 12334 自由能在 9## : ’ )*# ; 随温度的变化 ,
收稿日期： $’’" J ’" J #$ ； 宁夏自然科学基金资助项目 （ 基金项目：国家民委粉体材料与特种陶瓷重点开放实验室基金资助项目 （ ’&’$ ） ,’’& ） % 作者简介： 房国丽 （ ， 女， 硕士研究生， 主要从事复合材料制备及力学性能的数值模拟研究 % #MN$ — ）