第七章 金属基复合材料界面 表界面
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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
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、氧化物、硼化物 等组成的非均质材料。
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
2. MMC的界面结合及制造工艺条件对结合的影响
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纤维产生 的摩擦结合。 纤维
基体 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
(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：
SEM the fracture surface of a silvercopper alloy reinforced with carbon fibers.
第七章 金属基复合材料界面
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
（2）溶解和润湿结合—II类结合
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Ⅲ类界面 其特征是在界面上生成新的化合物层。
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.
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
7.1金属基复合材料的种类和基本性能
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
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。 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。
(2)化学不稳定因素
化学不稳定因素主要是复合材料在加工工艺和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
Βιβλιοθήκη Baidu
交换式界面反应的不稳定因素
主要发生在当基体为含有两个或两个以上元素的合金时:
硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀
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
硬质合金模具
硬质合金轴承刀具
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。
金属基复合材料MMC
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。
B
TiB2 Ti
(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
3. 金属基复合材料界面的稳定性
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，长时间保持稳定。影响 MMC 界面稳定性两类因素：
7.2．按基体分类
(1)铝基复合材料 (2)镍基复合树树 (3)钛基复合材料
(1)铝基复合材料
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。
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。
(2)镍基复合材料
这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于 镍的高温性能优良，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。
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
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、氧化物、硼化物 等组成的非均质材料。
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
2. MMC的界面结合及制造工艺条件对结合的影响
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纤维产生 的摩擦结合。 纤维
基体 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
(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：
SEM the fracture surface of a silvercopper alloy reinforced with carbon fibers.
第七章 金属基复合材料界面
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
（2）溶解和润湿结合—II类结合
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Ⅲ类界面 其特征是在界面上生成新的化合物层。
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.
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
7.1金属基复合材料的种类和基本性能
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
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。 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。
(2)化学不稳定因素
化学不稳定因素主要是复合材料在加工工艺和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
Βιβλιοθήκη Baidu
交换式界面反应的不稳定因素
主要发生在当基体为含有两个或两个以上元素的合金时:
硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀
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
硬质合金模具
硬质合金轴承刀具
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。
金属基复合材料MMC
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。
B
TiB2 Ti
(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
3. 金属基复合材料界面的稳定性
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，长时间保持稳定。影响 MMC 界面稳定性两类因素：
7.2．按基体分类
(1)铝基复合材料 (2)镍基复合树树 (3)钛基复合材料
(1)铝基复合材料
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。
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。
(2)镍基复合材料
这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于 镍的高温性能优良，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。