6第六章-金属基复合材料的界面及其表征

03.10.2020
2
6.2界面的特征
金属基复合材料的基体一般是金属合金，此种复合材料的制 备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与增 强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷 却、凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相 变等。这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂。
03.10.2020
9
（1） I型复合材料的界面 模型 Cooper和Kelly （1968）提出，I型界面模 型是界面存在机械互锁，且 界面性能与增强体和基体均 不相同；复合材料性能受界 面性能的影响，影响程度取 决于界面性能与基体、纤维 性能差异程度的大小；I型界 面模型包括机械结合和氧化 物结合两种界面类型。
图6-4 当纤维是脆性时，反应物裂纹 产生的应力集中使纤维断裂
例如不锈钢丝增强铝复合材料系中，由于纤维是韧性的，反应物
裂纹尖端产生的应力集中使纤维发生塑性变形（产生了滑移带），
见图6-3所示。又例如，碳纤维增强铝复合材料系中，纤维是脆性
的，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂，见图6-4所示。可见
后者的界面反应物临界厚度小于前者。
MO W
Ni 80 Ni-20Cr Ni- Cr-Fe
TiC HfC W W Ni Ni
~0 2
1200 0.15 1500 4.3
24 <1 <1
540 505 630 870 540 760 400 1000 1000
18
图6-6 复合材料强度与热暴露时间的关系
复合材料在热暴露过程中拉伸强度与时间关系的曲线 类型如图6-6所示。若干金属基复合材料体系的相容性 情况归纳在表6-2中。
03.10.2020
19
表6-2 金属基复合材料体系的相容性
纤维
基体（图层）
热暴露时间 h
热暴露温度 ℃
曲线类型 （图6-2）
作用类型
03.10.2020
图6-1 Ⅰ型界面控制
10
（2） Ⅱ、Ⅲ型复合材料的界面理论模型
Ⅱ、Ⅲ型界面模型认为复合材料的界面具有既不同于基体 也不同于增强体的性能，它是有一定厚度的界面带，界面带 可能是由于元素扩散、溶解造成，也可能是由于反应造成。
Ⅱ、Ⅲ型界面控制复合材料的10类性能，即基体拉伸强度； 复合材料性能的因素(σm)；纤维拉伸强度(σf)；反应物拉伸强 度(σr)；基体/反应物界面拉伸强度(σmi)；纤维/反应物界面拉 伸强度(σfi)；基体剪切强度(τm)；纤维剪切强度(τfi)；反应物 剪切强度(τr)；基体/反应物界面剪切强度(τmi)和纤维/反应界 面剪切强度(τfi)，见图6-2所示。
03.10.2020
6
表6-1 金属基复合材料体系的界面类型
界面类型 Ⅰ型
体系 C/Cu，W/Cu，Al2O3/Cu，Al2O3/Ag，B(BN)/Al，，B/Al①，SiC/Al①，不
锈钢/Al①
Ⅱ型
W/Cu(Cr)，W/Nb，C/Ni②，V/Ni②，共晶体③
Ⅲ型
W/Cu(Ti)， C/Al(>100℃) ， Al2O3/Ti，B/Ti，SiC/Ti， Al2O3/Ni， SiO2/Al， B/Ni，B/Fe，B/不锈钢
1.钛－硼系 2.钛－碳化硅系 3.钛－碳系
(3) 镍和镍合 金基复合材料
1.镍－钨系 2.镍－钼系 3.镍－碳化硅系 4.镍－氮化钛系 5.镍－金属碳化 物系 6.镍－碳系
(4) 镁和镁合 金基复合材料
• Click to add Text
•1C.l镁ick－to a碳dd系Text •2C.l镁ick－to a硼dd系Text
图6-5 液体对固体表面的浸润情况
03.10.2020
14
γSV-γSL=γLVcosθ
（6-3）
cosθ＝
SV SL LV
(6-4)
式中：γSV、γSL、γLV分别为液－汽、固－汽、表面张力和固－液界
面张力；θ－液体对固体的浸润角或接触角。
若γSV <γSL,则cosθ<0, θ>90°,液体不能润湿固体。当θ＝180°时， 固体表面完全涌被液体润湿，液体呈球状。
Wf/Cu（Ti、Zr）系。W与合金元素T i与Zr均发生反应，并形成化合物。使复合 材料的强度和塑性均下降。
8
6.2.2.2 界面模型
在早期的研究中，将复合材料界面抽象为：界面处 无反应、无溶解，界面厚度为零，复合材料性能与界面无 关；稍后，则假设界面强度大于基体强度，这是所谓的强 界面理论。强界面理论认为：基体最弱，基体产生的塑性 变形将使纤维至纤维的载荷传递得以实现。复合材料的强 度受增强体强度的控制。预测复合材料力学性能的混合物 定律是根据强界面理论导出的。由上述可见，对于不同类 型的界面，应当有与之相应的不同模型。
Wc＝2γLV
(6-7)
03.10.2020
16
只有当粘着功Wa大于内聚能Wc时，液体才能对固体 浸润。Wa与Wc之差定义为液体在固体表面的铺开系数S， S为正值时，即S＞0时，发生浸润现象。
S＝Wa - Wc=(γSV -γSL) -γLV
(6-8)
对于金属基复合材料可以来取下列措施来改善金属基体对 增强物的润湿性。
03.10.2020
13
6.2.3 界面的物理化学特性
wenku.baidu.com
6.2.3.1 润湿现象
不同的液滴放到不同的固体表 面上，有时液滴会立即铺展开来 覆盖固体的表面，这一现象称为 润湿现象或浸润；有时液体仍然 团聚成球状不铺开，这一现象称 为润湿不好或不浸润。液态基体 在制造条件下能润湿固态增强物 是制造性能良好的金属基复合材 料的必要条件。在固体表面上液 滴保持力学平衡时杨氏方程式成 立（见图6-5）。
6.2.1 界面的结合机制
界面的 结合力 有三类
机械结合力就是摩擦力，它决定于增强物的比表 面和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越 大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力 存在于所有复合材料中。
物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于 所有复合材料中，在聚合物基复合材料中占 有很重要的地位。
来表示，粘着功是指将一平方厘米的固一液界面拉开所需 要作的功，液体对固体的吸引力越大时，粘着功也越大。 粘着功可表示为：
Wa=γLV +γSV -γSL
或
(6-5)
Wa=γLV +γLVcosθ=γLV (1+cosθ)
(6-6)
液体自身的吸引力大小用液体的内聚能Wc来衡量，内 聚能是指将一平方厘米截面的液体拉开时所需作的功。 内聚能与界面张力之间的关系式为:
在金属基复合材料界面区出现材料物理性质（如弹性模量、 热膨胀系数、导热率、热力学参数）和化学性质等的不连续性， 使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。因此，界面 的结构和性能对金属基复合材料中应力和应变的分布，导热、 导电及热膨胀性能，载荷传递，断裂过程都起着决定性作用。
03.10.2020
3
C
Al
C-HT
Al
24
580
100
475
A
Ⅱ
A
Ⅱ
C-HM
Al
100
550
A
Ⅱ
C
Ni
1
600
A
Ⅰ
C
Ni
5
600~800
A
Ⅰ
C
Ni
<1
900
A
Ⅰ
C-Ⅱ
Ni
1
900
A
Ⅰ
C
Ni
C-Ⅰ
Ni
C
Ni
24
1000
1
1230
1
>1270
A
Ⅰ
A
Ⅰ
B
Ⅰ
C
Ni-Cr
24
500
C
Co
24
700
C
Cu
24
800
B
Ⅰ
B
Ⅱ
B
Ⅱ
SiC
03.10.2020
7
Petrasek和 Weeton对 W/Cu复合材料 界面的研究结果 表明，在基体铜 中加入不同合金 元素，会出现四 种不同的界面情 况
03.10.2020
Wf/Cu系。在W丝周围未发生W与Cu 的相互溶解，也未发生相互间的化学反 应。
Wf/Cu（Co、Al、Ni）系。由于基体中的 合金元素（Co、Al、Ni）向W丝中扩散导 致其再结晶温度下降，使W丝外表面晶粒因 再结晶而粗大，结果导致W丝变脆。 Wf/Cu（Cr、Nb）系。合金元素（Cr、 Nb）向W丝中扩散、溶解并合金化，形成 W（Cr、Nb）固溶体。此种情况对复合材 料性能影响不大
较直观的可由相图得到。但比较实用的相图很少，所以具体的 复合材料体系中的相容性问题往往只能通过实验得到解决。下 面以几种常用的金属基复合材料为例说明。
（1）铝及铝合 金复合材料
1.铝－碳系 2.铝－硼系 3.铝－碳化硅系 4.铝－氧化铝系 5.铝－铁系
03.10.2020
（2）钛及钛合 金基复合材料
Al
24
700
B
Ⅱ
SiC
Al-3%Mg
10
580
B/ SiC
Ti
0.5
870
B/ SiC
Ti-6Al-4V
0.5
350
B
Ⅱ
B
Ⅱ
B
Ⅱ
B
Al-3%Mg
100
400
B
Ⅱ
B
Al-3%Mg
>10
500
B
Al-6061
1
540
B
Ⅱ
Ⅱ
B
Ti
0.1
580
B
Ti-6Al-4V
1000
230
B
Ni
100
370
Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3
第6章 金属基复合材料的 界面及其优化设计
03.10.2020
1
6.1界面的概念
金属基复合材料中增强体与金属基体接触构成的界面， 是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增强体 而异的、与基体有明显差别的新相——界面相（界面层）。 它是增强相和基体相连接的“纽带”，也是应力及其他信 息传递的桥梁。界面是金属基复合材料极为重要的微结构， 其结构与性能直接影响金属基复合材料的性能。
注：①表示伪Ⅰ型界面；②该体系在低温下生成Ni4V；③当两组元溶解度极低时划为Ⅰ类。
表6-1中伪Ⅰ型（pseudo-classⅠsystem）界面的
含义是：热力学指出，该种体系的增强体与基体之间应该 发生化学反应，但基体金属的氧化膜阻止反应的进行。反 应能否进行，取决于氧化膜的完整程度，当氧化膜尚完整 时，属于Ⅰ型界面；当工艺过程中温度过高或保温时间过 长而使基体氧化膜破坏时，组分之间将发生化学反应，变 为Ⅲ型界面。具有伪I型界面特征的复合材料系在工艺上宜 采用固态法（如热压、粉末冶金、扩散结合），而不宜采 用液态浸渗法，以免变为Ⅲ型界面而损伤增强体。
反应结合
基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物 而产生的一种结合形式
基体与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合 交换反应结合 物外，还有通过扩散发生元素交换的一种结合形式
氧化物结合
这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况
混合结合
03.10.2020
这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实 际的复合材料中经常同时存在几种结合形式
1）改变增强物的表面状态和结构以增大γSV； 2) 改变金属基体的化学成分以降低γSL； 3) 改变温度；
4) 改变环境气氛；
5）提高液相压力；
6)某些物理方法。
03.10.2020
17
6.2.3.2 基体与增强物之间的化学相容性
1、热力学相容性 决定热力学相容性的关键因素是温度，热力学相容性温度比
若γLV >γSV-γSL，则1>cosθ>0,θ<90°，液体能润湿固体。 若γLV＝γSV -γSL，则cosθ＝1,θ＝0°，这时液体完全浸润固体。 若γSL-γSV >γLV，则液体在固体表面完全浸润时仍未达到平衡而铺
展开来。
03.10.2020
15
液体对固体吸引力的大小用液体对固体的粘着功Wa
5
6.2.2 界面分类及界面模型
6.2.2.1 界面分类 上述几种金属基复合材料界面（机械结合、溶解与润
湿结合、交换反应结合、氧化物结合和混合结合）可以分 成I、Ⅱ、Ⅲ三种类型：I型界面表示增强体与基体金属既 不溶解也不反应（包括机械结合和氧化物结合）；Ⅱ型界 面表示增强体与基体金属之间可以溶解，但不反应（包括 溶解与润湿结合）；Ⅲ型界面表示增强体与基体之间发生 反应并形成化合物（包括交换反应结合和混合结合）。见 表6-1所示。
03.10.2020
11
由上述研究结果可见，在Ⅱ、Ⅲ型界面的复合材料中， 反应物裂纹是否对复合材料性能发生影响，取决于反应物的 厚度。影响反应物临界厚度的因素如下。 ① 基体的弹性极限。 ② 纤维的塑性。
图6－2 Ⅱ、Ⅲ型界面控制复合材料性能的各项强度所对应的应力方向
03.10.2020
12
图6-3 当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端 产生的应力集中使纤维发生塑性变形
化学结合力就是化学键，它在金属基复合 材料中有重要作用
根据上面的三种结合力，金属基复合材料中的界面结合可以 分为六种
03.10.2020
4
机械结合
基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由 粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成
基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶 溶解和润湿结合 解而产生的一种结合形式