复合材料界面制备技术的研究发展现状

复合材料界面制备技术的研究发展现状

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摘要：材料界面直接影响着材料的物理、化学、力学等性能与应用范围，

复合材料整体性能的优劣与复合材料界面结构和性能关系密切。分析材料界面的物理与化学过程、物质传输、能量转化及研究材料界面的结构与性能间的关系，对研究新材料和传统材料及其应用有着愈来愈重要的意义。

复合材料界面介绍

复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的以微观或宏观的形式复合而组成的多相固体材料。复合材料中增强体与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）。界面是复合材料极为重要的微结构，它是增强体和基体相连接的“纽带”，也是应力及其他信息传递的桥梁，其结构与性能直接影响着复合材料的性能。因此，深入研究复合材料界面的的制备、技术形成过程、界面层性质、结合强度、应力传递行为对宏观力学性能的影响规律，从而有效进行控制界面，是获得高性能复合材料的关键。

复合材料界面及其组成

界面相并没有十分清晰的界限。界面相内部即使是同一组分其内部性质也有很大的不同，无论从物理状态还是化学情况，界面相各个组分之间都存在着相互扩散和相互影响，并不是一个绝对规整的结构。对于界面相，界面层的形成和结构大体可分为：1.表面的粗糙及活性而形成的吸附层；2.表面的化学物质与基质发生化学反应而成的物质；3.表面诱导的结晶层；4.聚合物和纤维冷却时，因收缩差所引起的残留应力层。

复合材料界面研究现状

界面与材料的各种性能的关系是复合材料研究的前沿领域，当前界面研究的重点是界面润湿、界面结构、界面结合机制和界面稳定性，它对颗粒的分布往往起着决定性的作用。因此，有关润湿机理、改善途径及影响因素仍是今后界面研究的重要课题。

但是，由于界面尺寸很小且不均匀，化学成分及结构复杂，对于界面的结合强度、界面的厚度、界面的应力状态尚无直接和准确的定量的方法，对于界面结合状态、形态、结构以及它对复合材料的影响尚没有适当的试验方法，需要借助电子质谱、红外扫描等试验逐步摸索和统一认识。因此，迄今为止，对复合材料界面的认识还不是很充分，主要表现在：（1）界面表征手段测试手段存在局限；（2）界面改善方法：无法解释界面在材料失效过程的确切作用；（3）材料力学研究：理论模型与材料加工的实际过程有很大差异。

复合材料界面制备技术的研究

制备技术不仅很大程度上影响着复合材料的性能，同时也是它进一步应用发展的重要因素。材料界面制备技术主要是接合。所谓接合，是指为得到具体指定特性的坯料而使用的一种材料复合手段。接合形式有物理吸附、化学反应、

扩散、烧结等。作为工艺方法的分类，有机械结合法、直接与间接结合法。

颗粒增强铝基复合材料是当前研究较多、比较成熟、应用比较广泛的金属基复合材料，SiC p/Al就是其中的一类。以金属基基复合材料SiC p/Al为例谈谈复合材料界面的制备技术（包括SiC p/Al 复合材料制备方法、存在的技术难题和今后需要完善和进一步研究的方向）。

SiC p/Al复合材料成形技术，按增强颗粒与铝合金混合方式及成型工艺不同，可分为挤压铸造、真空吸铸法、熔融金属浸渗、粉末冶金及喷射沉积等。

1.挤压铸造

挤压铸造法就是在用搅棒高速搅动的铝熔液中逐渐加入SiC颗粒增强物，待SiC颗粒得到润湿、分散均匀后将熔体浇入金属型，再用挤压铸造的方法加压成形。因为通常非金属增强物与金属液是不润湿的，所以用普通搅拌法制造时因相互排斥而使增强物分散不均匀。对这种方法进行改良，将金属液温度控制在液相线和固相线之间进行搅拌，这时熔液含有一定组分的固相粒子，增强物加进去，即使润湿性不好，由于固相粒子的阻挡和滞留，增强物也不会结集和偏聚，仍能得到较均匀的颗粒分散。同样，将分散均匀的熔体浇入金属型，用挤压铸造的方法加压成形。欧阳柳章及隋贤栋等用此方法成功地浇铸了铝基复合材料活塞，台架实验正在进行中。

2.真空吸铸法

真空吸铸法是在铸形内形成一定负压条件，使液态金属或颗粒增强金属基复合材料自上而下吸入型凝固后形成固件的工艺方法。真空吸铸法的工艺过程：将用化学沉积制备的碳化硅纤维装入钢管中，一端用铝塞密封，另一端连接真空系统。在真空条件下，将装有纤维的钢管部位预热到高温，然后将带有铝塞的一端插入熔融的铝液中，铝塞将立即熔化，而铝液被吸入钢管中渗透到纤维。冷却后用硝酸腐蚀掉钢管，制成复合材料。

3.熔融金属浸渗法

熔融金属浸渗法是通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金属而制成金属基复合材料的方法。这种方法是预先把颗粒增强材料用适当的粘结剂粘结，做成预制件，放入压型，浇入铝熔液后立即加压，使铝液渗入预制件的间隙，这样在凝固后就得到要求的铝基复合材料。

4 . 粉末冶金法

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。

粉末冶金法是用于制备与成型非连续增强型金属基复合材料的一种传统的固态工艺法。它是利用粉末冶金原理，将基体金属粉末和增强材料（晶须、短纤维、颗粒等）按设计要求的比例在适当的条件下均匀混合，然后再压坯、烧结或挤压成型，也可将混合料压坯后加热到基体金属的固——液相温度区内进行半固态成型，从而获得复合材料或其制件。

基体合金粉末和颗粒（晶须）的混合均匀程度及基体粉末防止氧化的问题是整个工艺的关键。粉末冶金成型主要包括混合、固化、压制三个过程。粉末冶金工艺是：首先采用超声波或球磨等方法，将金属粉末与增强体混匀，然后冷压预成型，得到复合坯件，最后通过热压烧结致密化获得复合材料成品。生产过程为：（1）生产粉末。粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。为

改善粉末的成型性和可塑性通常加入机油、橡胶或石蜡等增塑剂。（2）压制成型。粉末在15-600MPa压力下，压成所需形状。（3）烧结。在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。（4）后处理。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。

5.喷射沉积法

喷射沉积法是一种将金属熔体与增强颗粒在惰性气体的推动下，通过快速凝固制备颗粒增强金属基复合材料的方法。其具体工艺过程为：在高速惰性气体流的作用下（以氩氮等非活性气体作为载体），将铝合金在坩埚中熔化，加压流经雾化器后被高速气体分散成极细小的金属液滴，同时通过一个或几个喷嘴向雾化的金属液滴流中喷入增强颗粒Si，使金属液滴和增强颗粒同时沉降在水冷基板上，这样便制得了SiC p/Al复合材料。

SiC p/Al界面制备技术的现状及发展趋势

SiC p/Al现有工艺方法虽然成功制造了SiC p/Al复合材料，但距离实际应用还有一定的差距，仅处于实验室阶段。SiC存在铝液中，使熔液粘度提高，流动性能降低，铸造时充填性能变差，当颗粒含量增加至20%或在较低温度（<730℃）时，流动性急剧降低以致无法浇注。

铸造SiC颗粒复合材料制造过程中，由于颗粒的存在，使冷却和凝固时的温度分布、晶体生长的热力学、动力学过程等发生变化，相应地，复合材料的凝固特性、溶质再分布规律、组织特性以及一二次枝晶间距、偏析等也要发生变化。颗粒被固溶界面所排斥和推移，聚集在界面前方的液相中。这些问题，目前的研究还不充分，有必要深入开展工作。

目前SiC p/Al的制备还有许多问题尚待解决。首先是它的力学性能特别是强度尚离理论值有较大差距，主要是由于SiC p/Al极易发生界面反应，对强度有较大影响。因此，寻找保护性好又与金属浸润的涂层是十分迫切的。碳化硅颗粒增强铝是很有发展前途的材料，特别是其界面间需要适当的粘结力才能有最佳的强度的现象，还缺乏从理论上加以定量地说明。复合材料具有丰富的微观结构组合方式，其与宏观力学的对应性也亟待研究。

由于合金化工艺与变质处理改善界面结合状况，材料的浸润性及化学反应方面存在较大的问题，增强材料SiC与铝的润湿角大于90，因此，在液态成形中，金属液很难浸入到增强材料SiC之间，结果使材料内部形成大量孔洞缺陷。另外，增强材料和基体材料往往在物理性能（热膨胀性、密度）、化学性能（如电化学势、组元扩散能力）及力学性能（如强度及韧性）存在较大差异，这将影响复合材料的质量。在基体中加入合金元素，以增加金属液的粘度降低表面张力和改善润湿性及结晶形态的改变，均有利于形成结合良好的界面。变质处理后的基体材料性能的提高可以弥补复合化以后塑性的降低，从而使所制备材料具有优异的综合性能。

此外，SiC p/Al铝基复合材料含有硬而脆的SiC颗粒，难于切削，其主要表现之一是刀具磨损迅速。现代精密机器零件绝大多数仍需依靠机加工获得最终形状和精度，切削加工问题是刻不容缓的。