6第六章_金属基复合材料的界面及其表征
金属基复合材料界面
金属基复合材料界面金属基复合材料界面是指由金属基体和其他材料相互作用形成的界面。
金属基复合材料是一种重要的结构材料，在航天、航空、汽车制造等领域发挥着重要作用。
而界面则是金属基复合材料性能的关键因素之一，影响着材料的力学性能、热学性能、电学性能等。
金属基复合材料界面的特点主要包括界面强度、界面形态以及界面反应等。
首先，界面强度是指金属基复合材料界面的抗剪强度，决定了材料的强度和韧性。
界面形态则是指金属基复合材料界面的结构形貌，包括界面的平整度、均匀度等。
最后，界面反应是指金属基复合材料界面处发生的化学反应，影响着材料的稳定性和使用寿命。
金属基复合材料界面的研究主要包括界面强度的测试方法以及界面的表征技术。
一般来说，界面强度可以通过剪切测试、拉伸测试等方法进行测量。
剪切测试是将金属基复合材料的界面置于剪切载荷下，通过测量界面之间的滑动距离和加载力来计算界面的剪切强度。
拉伸测试则是将金属基复合材料的界面置于拉伸载荷下，通过测量界面的断裂强度和断裂面积来计算界面的拉伸强度。
界面的表征技术主要包括电子显微镜观察和X射线衍射分析等。
电子显微镜观察可用于观察金属基复合材料界面的形貌和结构特征，如界面的平整度、均匀度以及异质相等。
X射线衍射分析则可以用于分析界面处的晶体结构和相变行为，从而揭示界面反应的机制和影响因素。
金属基复合材料界面的性能调控主要包括三个方面，即界面结构调控、界面化学调控以及界面力学调控。
界面结构调控主要是通过改变复合材料的结构和工艺参数来调控界面的形貌和结构特征，从而改善界面的强度和稳定性。
界面化学调控则是通过引入中间相或质量扩散来调控界面的化学反应，从而提高界面的稳定性和抗氧化性能。
界面力学调控主要是通过改变金属基复合材料的力学性能来调控界面的剪切强度和散射行为，从而提高界面的强度和韧性。
总之，金属基复合材料界面是一种关键的材料界面，影响着金属基复合材料的力学和热学性能。
了解金属基复合材料界面的特点和性能调控方法，对于开发高性能金属基复合材料具有重要意义。
第六章复合材料表界面的分析表征
41
不同处理碳纤维增强复合材料冲击 载荷与冲击时间的对应关系
A. 接枝聚丙烯酰胺碳纤维; B. 接枝聚丙烯 酸碳纤维; C. 氧等离子处理碳纤维; D. 未 处理碳纤维
氧等离子处理（曲线C）碳纤维 复合丝试样的冲击载荷曲线主 要弹性承载能U1差不多比未处 理者增加近3倍，表明基体变形 更大，也有更多的纤维发生形 变。相反塑性承载能U2却小到 可略视的地步，几乎没有什么 纤维拔出和与基体的脱粘，充 分表明了强结合的界面特征。
25
碳纤维表面官能团的分析
还原剂，消除自由基，证明等 离子处理产生的大部分是游离
基，不是酚羟基
图6-25 等离子处理时间对自由基浓度的影响
在等离子处理初期，自由基浓度迅速增加，处 理5分钟后，自由基浓度增加渐趋平缓。
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图6-26 UHMWPE纤维表面活性的衰减
经等离子处理后的UHMWPE纤维暴露在空气中，表 面自由基的浓度随时间而衰减，表面活性在逐渐减小
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6.4.2 复合材料界面的动态力学分析
a-接枝玻纤 b-未接枝玻纤 涂敷聚苯乙烯树脂的玻璃纤维辫子的动态
力学扭辫曲线
曲线b在92℃处出现一个 尖锐的聚苯乙烯玻璃化转变 损耗峰，而曲线a上，在聚 苯乙烯玻璃化转变损耗峰高 温一侧还有一个小峰，一般 称为α’峰，也叫做界面峰。
界面粘结强，则试样承 受周期负荷时界面的能力损 耗大，α’峰越明显。
复合材料界面受到因 热膨胀系数不同引起 的热残余应力。热残 余应力的大小正比于 两者的热膨胀系数之 差Δα和温差ΔT， 也与基体和纤维的模 量有关。
29
❖ 6.4 界面力学性能的分析表征
复合材料-金属基复合材料 ppt课件
(b)损伤后纤维形貌
碳纤维与铝基体发生严重反应后纤维的损伤
Cf/Al复合材料中Cf与Al基体发生界面反应，生成Al4C3。
Cf/Al的界面反应及反应产物Al4C3
❖ 准I类界面
出现准Ⅰ类界面有两种情况：
◆ 属Ⅰ类界面中的增强材料与基体， 从热力学分析会可能发生界面反应， 但当采用固态法制备时，形成Ⅰ类界 面；而当采用液态法制备时就可能形 成第Ⅲ类界面；
界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现 不稳定。
例如：Wf/Ni中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严 重，但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在 1100℃下经过50h，Wf的直径仅为原来50％，这样就严重 影响了Wf/Ni复合材料的使用性能和可靠性。
界面反应
界面反应是影响具有第Ⅲ类界面的复合材料界面稳 定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当 形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作 用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合材料性 能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质 有关，与反应的温度、时间有关。
1、金属基复合材料的使用要求
1、金属基复合材料的使用要求
航天飞机主货舱 支柱
50 vol.% 硼纤维/6061
哈勃太空望远镜 天线波导桅杆
P100碳纤维/6061铝合金
1、金属基复合材料的使用要求
航天、航空领域的发动机构件
要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的 耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。
◆ 增强材料的表面未处理，存在有 吸附的氧，在制备时也会与基体产生 界面反应。
如SiCf/Al，Bf/Al属于此类。 为此把这类界面称之为准Ⅰ类界面。
②界面的稳定性
5第六章 复合材料的性能及表界面PPT课件
★ 对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。 这是因为热膨胀系数较高的相，从较高的加工温度 冷却时将受到张应力；
★ 对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于 抗拉强度，处于压缩状态比较有利。
★ 而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求 避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差 太大。
结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。
上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。
因此，复合材料及其结构的设计打破了材料研 究和结构研究的传统界限。设计人员必须把材料性 能和结构性能统一考虑，换言之，材料设计和结构 设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方 案中。
复合材料是由多相材料复合而成，它的共同的 特点主要有三个：
二、复合材料组分的相容性
1、物理相容性： （1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷
均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。 （2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力 不应在增强剂上形成高的局部应力。
（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界
面结合及各类性能产生重要的影响。
复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下，但 界面层的总面积在复合材料中很大，且复合材料的界 面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很 大影响。
所以，人们以极大的注意力开展对复合材料界面 的研究--------表面和界面工程（surface and interface engineering）。
碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃 纤维复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更 高的比强度。
(2)可设计性好
复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进 行产品设计，具有很好的可设计性。
对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置 增强材料，达到节约材料、减轻质量的目的。
《复合材料原理》金属基复合材料界面控制 ppt课件
金具有很好的润湿性，润湿性好，才能充填
纤维束和丝之间的间隙。基体改性很少采用。
ppt课件
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3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素可以减少碳纤维的溶解和界面反应：
提高活化能，减少碳纤维溶解 阻止碳在反应产物中的扩散
System Al-C E103
0.43
(Al/Fe)-C (Al/Ga)-C
复合材料原理
ppt课件
1
第九讲 金属基复合材料界面控制
1 强结合及其失效机制 2 界面问题与纤维涂层 3 界面反应与界面控制
ppt课件
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
0.23
0.38
System (Al/Zn)-C (Al-Mg)-C (Al-Si)-C
E103 4.8
6.0
7.1
溶质元素对C在Al中溶解的影响 ppt课件
Al4C3速度常数 24
3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素在界面偏聚形成溶解和反应阻挡层：
ppt课件
25
3 界面反应与界面控制
表面涂层处理： (1) 改善润湿性，提高界面结合强度 (2) 防止过渡界面反应，降低界面脆性
ppt课件
11
2 界面问题与纤维涂层
2.1 界面化学反应
涂层能控制界面反应，有了涂层基体元素越过涂 层扩散与纤维发生反应或纤维元素越过涂层扩散 与基体反应将受到抑制。
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扩散控制的反应层厚度
金属基复合材料界面
华东理工大学2012－2013学年第二学期《金属基复合材料》课程论文2013.6班级复材101 学号10103638 温乐斐开课学院材料学院任课教师麒成绩浅谈金属基复合材料界面特点、形成原理及控制方法摘要金属基复合材料都要在基体合金熔点附近的高温下制备，在制备过程中纤维、晶须、颗粒等增强体与基体将发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。
界面结构和性能对金属基复合材料的性能起着决定性作用。
深入研究和掌握界面反应和界面影响性能的规律，有效地控制界面的结构和性能，是获得高性能金属基复合材料的关键。
本文简单讨论一下金属基复合材料的界面反应、界面对性能的影响以及控制界面反应和优化界面结构的有效途径等问题。
前言由高性能纤维、晶须、颗粒与金属组成的金属基复合材料具有高比强度、高比模量、低热膨胀、耐热耐磨、导电导热等优异的综合性能有广阔的应用前景，是一类正在发展的重要高技术新材料。
随着金属基复合材料要求的使用性能和制备技术的发展，界面问题仍然是金属基复合材料研究发展中的重要研究方向。
特别是界面精细结构及性质、界面优化设计、界面反应的控制以及界面对性能的影响规律等，尚需结合材料类型、使用性能要求深入研究。
金属基复合材料的基体一般是金属、合金和金属间化合物，其既含有不同化学性质的组成元素和不同的相，同时又具有较高的熔化温度。
因此，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；金属基体在冷凝、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，界面区的结构及组成明显不同于基体和增强体，其受到金属基体成分、增强体类型、复合上艺参数等多种因素的影响。
在金属基复合材料界上出现材料物理性质（如弹性模量、线胀系数、热导率、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。
金属基复合材料界面问题课件.ppt
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2．界面的作用
2024散射与吸收效应、诱导效应及不连续效 应。
传递效应：是指界面可以将外力通过基体传递给增强体，起连接基体与增强 体的作用。
阻断效应：是指界面具有阻断裂纹扩展、延缓应力集中的作用。 散射与吸收效应：是指界面具有透光、隔热、隔音、吸振、耐热冲击的性能。 诱导效应是指界面使周围物质的结构发生改变，从而产生出一系列特殊的性 质。不连续效应是指界面的物理不连续性。
产生界面反应产物一脆性相 ：界面反应结果形成各种类型的化 合物,如A14C3、AIB2、A12MgO4、MgO、Ti5Si3、TIC等。
造成增强体损伤和改变基体成份 ： 严重的界面反应使高性能纤 维损伤。
界面反应还可能改变基体的成份。
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主要的界面问题：
1.界面反应及其控制途径: 2.界面微结构及其表征: 3.界面结构特性对微观、宏观性能的影响: 4.界面结构与复合材料组分的关系: 5.界面稳定性: 6.界面的优化设计和优化界面的有效途径
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2024/10/8
Cf/Al复合材料界面反应工艺控制
在现有的金属基复合材料体系中， Cf/Al复合材料对界面是最为敏感的， 甚至成为复合材料能否成功应用的关键技术障碍一般地,C 与 Al的复合界面在 773K便可生成 Al4C3
三方面的危害： 1.呈脆性，可降低界面在复杂应力下传递载荷的作用; 2.会导致碳纤维损伤，降低纤维的承载能力 3.易于水解，潮湿环境下易腐蚀。
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3．界面的类型
3.界面分类
2024/10/8
•结合的原理 机械结合 化学结合
•相互作用
既不反应又不扩散 不反应但溶解扩散 界面反应
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4.界面反应
4.1界面过程 （1）界面的吸附和偏聚 （2）扩散和传质 （3）成核和生长 （4）界面化学反应
《金属基复合材料》PPT课件
• 主要针对高性能发动机发展的需要。研究发动机滑轮盘、 转轴等关键部件的高性能耐高温结构材料。
3、金属基复合材料制备新工艺和新设备的研究
• 目前研究的重点是：真空液态金属浸渍、液态金属挤压铸 造、液态金属和颗粒共喷沉积、粉末热等静压工艺等。可 望解决批量制造性能稳定的金属基复合材料制件，并降低 成本。同时研究工艺因素对复合材料结构和性能的影响。
• 碳化硅晶须和颗粒增强铝基复合材料被用于制造战术坦克 的反射镜部件、轻型坦克的履带、空间激光镜等等。
h
9
Metal－Matrix
发展方向
1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。
• 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材 料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的 SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。
钢
7.8
1460
0.46
29
13.3
2070
210
超合金
8.3
1390
0.42
19
10.7
1100
210
Ta
16.6 2990
0.17
55
6.5
410
190
Sn
7.2
230
0.21
64
23.4
10
40
Ti
4.4
1650
0.59
7
9.5
1170
110
W
19.4 3410
0.13
168
Zn
6.6
390
0.42
h
2
Metal－Matrix
特点
1、比金属的比强度高，比刚度大 纤纤维维来增增强强金金属属基，复与合金材属料相多比数，足在由纤Vf维＝方20向%具-7有0%很的高高的强比度强和度高和模比量模的量。 特别是纤维增强镁、铝等，具有很显著的效果。
金属基复合材料ppt课件
（3）、热膨胀系数小、尺寸稳定性好
金属基复合材料中的碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗 粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的 模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维具有负的热 膨胀系数。加入相当含量的增强物不仅大幅度提高材料 的强度和模量，也使其热膨胀系数明显下降，并可通过 调整增强物的含量获得不同的热膨胀系数，以满足各种 应用的要求。
铝基复合材料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。
在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各 种铝合金。
铝基复合材料
• 大型运载工具的首选材料。如波音747、757、767 • 常用：B/Al、C/Al、SiC/Al • SiC纤维密度较B高30％，强度较低，但相容性好。 • C纤维纱细，难渗透浸润，抗折性差，反应活性较高。 • 基体材料可选变形铝、铸造铝、焊接铝及烧结铝。它们
（2）、导热导电性能
虽然有的增强体为绝缘体，但在复合材料中占 很小份额，基体导电及导热性并未被完全阻断， 金属基复合材料仍具有良好的导电与导热性。
为了解决高集成度电子器件的散热问题，现已 研究成功的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、金 刚石颗粒增强铝基、铜基复合材料的热导率比纯 铝、铜还高，用它们制成的集成电路底板和封装 件可有效迅速地把热量散去，提高了集成电路的 可靠性。
氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温 拉伸强度并不比基体合金高，但它们的高温强度明显 优于基体，弹性模量在室温和高温都有较大的提高， 热膨胀系数减小，耐磨性能得到改善。
• 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密纤维使材料具有明显的各向异性。纤维采 用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维 采用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。
第6章-2 金属基复合材料的界面及其表征
6.2.6.2 界面对金属基复合材料力学性能的影响
界面结合强度对复合材料 的冲击性能影响较大。纤维 从基体中拔出，纤维与基体 脱粘后，不同位移造成的相 对摩擦都会吸收冲击能量， 并且界面结合还影响纤维和 基体的变形能力。
三种复合材料的典型冲击载荷－ 时间关系曲线
1－弱界面结合 2－适中界面结合 3－强界面结合
1
界面组成及成分变化
2
界面区的位错分布
3
界面强度的表征
4
界面残余应力的测定
5 界面结构的高分辨观察及其原子模拟
10
6.3.1 界面组成及成分变化
确定界面上有无新相形成是界面表征的主要内容之一。新相可能是 增强体与基体通过扩散反应而在界面处形成的新相, 也可能是基体组 元与相界处杂质元素反应在界面处优先形核而成为新相。 一般情况下常用明场像或暗场像对界面附近区域形貌进行观察, 通 过选区衍射和X射线能谱进行微区结构和成分分析。 当析出物十分细小时, 可采用微衍射和电子能量损失谱来分析其结 构和成分, 电子能量损失谱尤其适合于对C、O等轻元素的分析。可 以准确判知界面析出物的结构、成分和形貌特征。
1、金属基复合材料界面可分成哪些类型？请分别举 例说明不同类型界面的特征。 2、金属基复合材料的界面结合有哪几种？什么样的 界面结合对力学性能更有利？
3
6.2.6 界面对性能的影响
不同类型和用途的金属基复合材料界面的作用和最佳界面结构 性能有很大差别。
纤维增强脆性基体复合材料的微观断裂模型 （a）纤维“桥接” （b）裂纹穿过纤维造成脆断
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挤压铸造Al18B4O33w /Al-2.5%Mg 复合材料界面 TEM 照片
4Al18B4O33+33Mg = 33MgAl2O4+6Al+16B
07310450+金属基复合材料
金属基复合材料Metal Matrix Composites07310450 230(其中：讲课学时： 30 实验学时： 0 上机学时：) 金属学及热处理、现代材料测试技术 复合材料与工程、材料成型与控制工程、金属材料工程、冶金工程 教 材：《金属基复合材料》 ，赵玉涛、戴起勋、陈刚主编，机械工业出版社， 2007年 8 月第 1 版开课学院： 材料科学与工程学院 一、 课程的性质与任务 :《金属基复合材料》课程是材料复合材料相关专业教学计划中的专业课，要求学 生完成学习《金属学及热处理》 、《现代材料测试技术》等课程的基础上，以及进行 了认识实习，有一定的生产实际知识的基础上讲授。
本课程的任务是：1、掌握金属基复合材料的定义、分类、设计、制备、性能及应用等方面的基本知识 和理论2、掌握金属基复合材料的成型工艺和设备二、 课程的基本内容及要求 第一章 绪论1、教学内容(1) 复合材料定义与分类 (2) 金属基复合材料概述 (3) 金属基复合材料的性能特点 2、基本要求了解金属基复合材料的概念、定义、性能特点及发展趋势。
掌握金属基复 合材料的基本特征、类型及应用领域和发展前景。
3、重难点 金属基复合材料的基本特征、类型及应用领域和发展前景。
第二章 增强体材料1、教学内容 (1) 增强体的分类(2) 纤维类增强体：种类、性能、制备方法及应用 (3) 晶须及颗粒类增强体：种类、性能、制备方法及应用课程编号 ： 学 分： 学 时： 先修课程： 适用专业 :(4) 金属丝：种类、性能、制备方法及应用2、基本要求 了解增强体的种类、制备方法及应用领域。
掌握根据使用工况和成本因素设 计选择适当的增强体。
3、重难点 根据使用工况和成本因素设计选择适当的增强体。
第三章 金属基复合材料的设计1、教学内容(1) 金属基复合材料设计的基本原则(2) 基体材料选择：基体的作用、选择的原则、分类(3) 增强体材料选择：长纤维、短纤维、晶须、颗粒等增强体的特性、类型、 制备方法及其作用2、基本要求 了解金属基复合复合材料的基本组成(基体、增强体)及各自的特点和功能， 掌握金属基复合材料的设计原则和方法，掌握根据使用工况选择性能与价格比合理 的基体和增强体。
金属基复合材料的制备与性能表征
金属基复合材料的制备与性能表征近年来，金属基复合材料因其独特的性能和广泛的应用领域引起了广泛的关注。
金属基复合材料是由金属基体和嵌入其中的非金属相组成的材料，具有较高的强度、刚度和热稳定性，同时也保持了金属材料的导电性和导热性。
在制备过程中，金属基复合材料需要考虑多种因素，如复合界面的粘结强度、相互作用力以及成分和结构等。
同时，在性能表征过程中也需要选择适当的测试方法来评估其力学性能、热学性能和耐腐蚀性能。
一、金属基复合材料的制备方法金属基复合材料的制备方法多种多样，常见的包括粉末冶金法、溶液浸渗法和机械合金化法等。
粉末冶金法是一种常用且效果较好的制备方法，首先将金属粉末和非金属相混合，然后通过高温烧结或热压制备成坯体，最后进行热处理得到最终的金属基复合材料。
溶液浸渗法则是通过将非金属相浸渗到金属基体中，再进行热处理来制备金属基复合材料。
机械合金化法则是通过机械力和热力将金属和非金属相混合，在高温下进行球磨和热处理，最终得到金属基复合材料。
二、金属基复合材料的性能表征方法金属基复合材料的性能表征主要包括力学性能、热学性能和耐腐蚀性能的测试。
对于力学性能的表征，常见的测试方法有拉伸试验、压缩试验和硬度测试等。
拉伸试验能够评估材料的强度和延展性，而压缩试验则能够评估材料的抗压能力。
硬度测试是通过在材料表面施加一定的载荷来评估其硬度，从而间接反映材料的强度。
热学性能的表征主要包括热膨胀性和导热性的测试。
热膨胀性是指材料在升温时的膨胀程度，一般通过热膨胀系数来表征。
导热性是指材料传导热量的能力，常见的测试方法有热导率测试和热扩散测试。
耐腐蚀性能的表征主要是通过腐蚀试验来评估材料的抗腐蚀能力。
腐蚀试验可分为自腐蚀试验和电化学腐蚀试验两种。
自腐蚀试验是将材料暴露在特定环境中，观察其腐蚀情况。
电化学腐蚀试验则是通过在材料表面施加一定的电位和电流来模拟实际腐蚀环境，从而评估材料的腐蚀行为。
三、金属基复合材料的应用领域金属基复合材料由于其优异的性能，在多个领域具有广泛的应用前景。
金属基复合材料界面
华东理工大学2012-2013学年第二学期《佥属基复合材料》镌程论丈2013.6班级复材101学号10103638 温乐斐开课学院材料学院任课教师成绩________________________论文题目：戎淡全属基复合材料界而特盍、形成原理及控制方法怡文要求:疫下列题a中迪挣一题作为课他临丈题于以*题・全為晟复合材料界面特点•形成廉理和控制方法。
・阐述一科液态比制羞工艺及讨论工艺条件对全寓晟复合材料性能的彩响。
・长纤维增强全為墓复合材料设计中主要彩响因索和鮮决方法（举例说朗丿。
二•课程论丈形比要求兜整的课程论丈要有題目，摘要，正丈和参考丈欷5个部分级成。
正丈字救不少于1500字。
X.课穩论丈格此要求■A4缄.单面肘印。
■页而设逍：左.右.下边距为2.5厘卷，上边.距为2.8厘耒。
■正丈用宋体小4号，字间距设逍为“标准”，段隊设.更为=• 25得行距”。
正丈中所冇非汉字均用Times New Roman体。
表名伐.于表的正上方，用宋体小五号粗体，图的大小不超过8X8crn,图名位于图的正下方，用家体小五号粗体。
■数学公扎用斜体，须有编号。
若有多考丈故，其格扎为“参考文故”居中，用黑体小4号，菁录的彖应荷仝国求标准（参見《华东理工大学学圾》人切•兜成对间■6月19日中午门:00的交至冬逬学习委员后送校和平極303玄。
教师评语:教师签字：年月目发淡全属基复合材料界面特点・形成原理及控制方法摘要全属基复合材坍都要在基体合全竦点附近的需温下制备，在制备过程中纤维・晶须、鞭粒等增强体与基体将发生程度不同的相互作用和界面反应，形成各种结构的界面。
界面结构和性能对金属基复合材料的性能起着决岌性作用。
滦入研死和拿握界面反应和界面影响性能的规律，有效地桂制界面的结构和性能，是获得需性能全厲基复合材料的矢健。
本丈简单讨论一下金厲基复合材料的界面反应、界面对性能的影响以及技制界面反应和优化界面结构的有效涂径等问題。
金属基复合材料界面特征与力学性能
工业技术96 2015年35期金属基复合材料界面特征与力学性能肖伟利山东核电设备制造有限公司，山东烟台 265118摘要：随着金属基复合材料应用要求的不断提高，研究其界面特征与力学性能凸显出重要意义。
本文首先对相关内容做了概述，分析了复合材料微结构拓扑优化，并结合相关实践经验，研究了MMC的制备工艺和制备方法，提出了个人看法。
关键词：金属基复合材料；界面特征；力学性能中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)35-0096-011 前言作为金属基复合材料应用中的重要工作，对其界面特征与力学性能的研究在近期得到了广泛关注。
该项课题的研究，将会更好地提升对其界面特征与力学性能的掌控水平，从而有效优化金属基复合材料在实际应用中的整体效果。
2 概述金属基复合材料界面，乃至所有复合材料界面都是外载荷从复合材料基体传递给增强体的主要媒介。
复合材料界面的性质在很大程度上决定复合材料的性能。
对金属基复合材料来说，其增强体常为陶瓷粒子或金属间化合物相吸各种纤维，所以其界面的原子结构、化学成分和原子键结合类型不同于界面两侧的材料，且在界面上更容易发生化学反应。
尽管在界面上产生一个反应层是增强体与基体牢固结合所需要的，但反应层过量生长将直接影响复合材料的力学性能。
实际上，金属基复合材料的屈服；断裂、疲劳强度以及裂纹扩展行为等均与界面反应层厚度有关系，再者，其使用条件的选择，使用寿命如何也均主要依赖界面特性。
所以，只有深入了解金属基复合材料的界面微结构、界面反应和界面稳定性等界面特性，建立界面结构特性因素与力学性能指标之间的数学模型，才能在深层、次层上阐明界面特征与力学性能间的关系，以达到利用“界面工程”发展新型高性能复合材料的目的。
3 复合材料微结构拓扑优化研究结构拓扑优化是结构形状优化的发展，是布局优化的一个方面。
当形状优化逐渐成熟后，结构拓扑优化这一新的概念就开始发展，现在拓扑优化正成为国际结构优化领域一个最新的热点。
金属基复合材料的界面微观结构与力学性能研究
金属基复合材料的界面微观结构与力学性能研究金属基复合材料由金属基体和强化相组成，具有优异的力学性能和良好的工程应用前景。
在金属基复合材料的力学性能中，复合界面的微观结构起着关键作用。
本文将探讨金属基复合材料的界面微观结构与力学性能的研究。
1. 金属基复合材料的界面结构金属基复合材料的界面结构是指金属基体与强化相之间的结构特征。
界面的微观结构决定了力学性能的优劣。
其中，界面的结晶度、化学成分均会影响力学性能。
以铝基复合材料为例，硅化物在金属基体中的分布方式、界面的结晶度以及界面的塑性变形等因素均对力学性能有着重要影响。
2. 界面结构与材料强度的关系界面结构对材料的强度具有重要影响。
研究表明，界面结晶度高、接触面积大的复合材料具有更高的强度。
这是因为结晶度高的界面可以有效抑制裂纹扩展，提高材料的抗拉强度。
另外，界面的接触面积大可以增加原子间的相互作用力，从而增加材料的韧性。
3. 界面结构与材料的塑性变形能力除了影响材料的强度外，界面结构还会对材料的塑性变形能力产生影响。
界面能够阻止晶体滑移，从而抑制材料的塑性变形。
如果界面结晶度低，会导致界面的塑性变形更易发生，从而影响材料的韧性和延展性。
因此，界面的结晶度对于金属基复合材料的塑性变形能力具有重要意义。
4. 界面结构与疲劳性能的关系疲劳性能是金属基复合材料工程应用中需要考虑的重要因素。
界面结构对材料的疲劳性能影响较大。
较为均匀的界面分布可以有效地抑制裂纹扩展，提高材料的疲劳寿命。
此外，良好的界面结晶度有助于维持材料的结构完整性，从而提高疲劳性能。
综上所述，金属基复合材料的界面微观结构与力学性能有着密切的关系。
界面结构的优化可以提高材料的强度、塑性变形能力和疲劳性能。
在今后的研究中，应重点关注界面结构的调控与优化，以进一步提高金属基复合材料的力学性能。
第6章 复合材料的界面(6)
对晶化前后界面的剪切强度做了测定， 对晶化前后界面的剪切强度做了测定，发现从 11.5MPa降低到 降低到3.2MPa。这是因为晶化处理前后界 降低到 。 面的微观结构发生了变化， 面的微观结构发生了变化，使得界面的剪切强度下 另外， 转化的过程中， 降。另外，在Nb2O5向NbC转化的过程中，希望能尽 转化的过程中 量少的产生CO、CO2等气体。 等气体。 量少的产生 、 关于纤维与基体的反应，已经进行了不少的研究。 关于纤维与基体的反应，已经进行了不少的研究。 但是以改善界面状态为目的向基体中添加元素还是 但是以改善界面状态为目的向基体中添加元素还是 一项比较新的课题。 一项比较新的课题。
粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。 粗糙表面与基体产生摩擦力而实现的。
溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解， 2) 溶解和润湿结合。基体润湿增强材料，相互之间发生原子扩散和溶解，形成
结合。界面是溶质原子的过渡带。 结合。界面是溶质原子的过渡带。
反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物， 3) 反应结合。基体与增强材料间发生化学反应，在界面上生成化合物，使基体和
三、 界面反应
研究界面反应的必然性和重要性： 研究界面反应的必然性和重要性： 研究界面反应的目的： 研究界面反应的目的： 选择最佳的材料组合和制造工艺， 选择最佳的材料组合和制造工艺，以得 到 最佳的材料性能。 最佳的材料性能。
1.界面反应的种类 界面反应的种类
(1) 基体与增强材料间不生成化合物，只生成固溶体。 基体与增强材料间不生成化合物，只生成固溶体。 在界面上生成的固溶体并不导致复合材料性能的降低， 在界面上生成的固溶体并不导致复合材料性能的降低， 主要是增强材料消耗使强度降低。 主要是增强材料消耗使强度降低。 假定基体中的扩散物的原始浓度为零， 假定基体中的扩散物的原始浓度为零，基体表面上扩 散原子的浓度在整个过程中保持不变， 散原子的浓度在整为半无限的物体， 体中的极限溶解度，基体为半无限的物体，扩散系数与 浓度无关。扩散的菲克第二定律如下： 浓度无关。扩散的菲克第二定律如下：
第六章 复合材料的表界面
硅醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基不玻纤表面硅羟基之间形 成氢键
R Si O H O H O Si O H H O Si H O R Si O H O H H O R Si
硅羟基之间脱水形成-Si-O-Si-键
R O Si O Si O O
R Si O Si O
硅烷偶联剂与玻纤表面以Si－O－Si化学键结合，同时 在玻纤表面缩聚成膜，形成了有机R基团朝外的结构
6.扩散理论
此理论是BOROZncui等首先提出来的。该理论认为 高聚物的相互粘结是由表面上的大分子相互扩散所致。 如图所示，两相的分子链互相扩散、渗透、缠结，形成 了界面层。扩散过程与分子链的相对分子质量、柔性、 温度、溶剂、增塑剂等因素有关。相互扩散实质上是界 面中发生互溶、黏结的两相之间界面消失，变成了一个 过渡区域，因此对黏结强度提高有利。当两种高聚物的 溶解度参数接近时，便容易发生互溶和扩散，得到比 较高的黏结强度。 必须指出，扩散理论有很大的局限性，高聚物黏结剂与 无机物之间显然不会发生界面扩散问题，扩散理论不能 用来解释此类黏结现象。
6.3.2、钛酸酯偶联剂
与无机填料 表面反应 决定特性的 基团
R-O-Ti-(O-X-R’-Y )n
与聚合物以及 填料发生交联
决定特性的 基团
保证和聚合物 的相容性
(RO)m Ti - (OX-R’-Y)n
(RO)为钛酸酯和无机填料进行化学结合的官能团； -Ti(Ox)部分为钛酸酯的有机骨架，与聚合物的羧基之 间进行相互交换，起酯基和烷基转移反应；
复合材料为什么会产生协同效应呢？性 能上的特点应从结构上寻找原因。
图：纤维增强塑料复合前后的结构示意图
为什么复合材料的断裂能比其组成材料树脂和 纤维要大很多倍呢 ? 且看下面图的复合材料破坏过程中的能量吸收
第六章 复合材料 材料科学基础课件
纤维增强复合材料的机理：
1。微细的增强纤维因直径较小，产生裂纹的几率降低。
2。纤维在基体中，彼此隔离，纤维表面受到基体的保， 护，不易受到损伤，不易在承载中产生裂纹，增大承载力。
3。纤维在基体中，即使有些裂纹会断裂，但基体能阻止 裂纹扩展。
三.聚合基粒子复合材料
1. 粒子增强聚合物 (1).电绝缘材料 (2).钙塑材料 聚氯乙烯塑料.聚乙烯钙塑料和聚丙烯钙塑料 (3).耐磨材料 (4).粒子增强橡胶 主要的补强剂是炭黑 2. 粒子分散质增强机理 粒子分散质增强机理认为.填料粒子的活性表面能与若干高分子链 相结合形成一种交联结构.为了提高增强效果,可对填料粒子进行
与则,适合于 容易产生气泡 长纤维增强体系
B-Al,SiC-Al,C-Al,WAl,
温度低,纤维损伤小 基体有限制,容易 W-Ni,W-Cu, B-Al, 产生气泡,效率低
不损伤纤维
容易产生气泡,效 Be-Al, B-Al, C-Al 率低
纤维取向规则,浸润好, 时间较长 温度较低,界面反应不 严重
纤维增强金属基复合材料界面的类型 I。纤维与基体互不反应、互不溶解的界面。 II。纤维与基体不反应、但相互溶解的界面。 III。纤维与基体反应形成界面反应层。
界面结合的类型
I。机械结合：借助增强纤维表面凹凸不平的形态而产生的
机械铰合和基体与纤维之间的摩擦阻力形成。
II。溶解与侵润结合：液态金属对增强纤维的侵润，而
三.高性能纤维增强塑料
用各种高强度.高模量纤维来增强高强聚合物,可得到比强度高,刚 性好,抗蠕变的高性能复合材料. 1. 碳纤维增强聚合物复合材料
碳纤维增强环氧是强度,刚度,耐热性均好的复合材料.质轻而且 耐腐蚀,缺点是造价高 2. 芳香族聚酰胺纤维增强塑料 即芳纶纤维,与树脂基体相容性好,具有优异的性能且价格低于碳 纤维复合材料,具有发展前途
6第六章-金属基复合材料的界面及其表征
（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
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（2）钛及钛合 金基复合材料
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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。
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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。
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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
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
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•1C.l镁ick－to a碳dd系Text •2C.l镁ick－to a硼dd系Text
第6章 金属基复合材料的 界面及其优化设计
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6.1界面的概念
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1.镁－碳系 • Click to add Text 2.镁－硼系
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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。
Wa=γLV +γSV -γSL Wa=γLV +γLVcosθ=γLV (1+cosθ) (6-5) (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:
Wc＝2γLV (6-7)
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Ⅲ型
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。
6.2.3 界面的物理化学特性
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）。
图6-1 Ⅰ型界面控制
化物结合两种界面类型。
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（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。
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6.2.1
界面的结合机制
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。
界面的 结合力 有三类
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。 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
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（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
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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。
图6-5 液体对固体表面的浸润情况
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γ
SV-γSL=γLVcosθ
（6-3）
cosθ＝
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。 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。
SV SL LV
(6-4)
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。
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液体对固体吸引力的大小用液体对固体的粘着功Wa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： 或
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
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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 解而产生的一种结合形式
溶解和润湿结合
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
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表6-1 金属基复合材料体系的界面类型 体 界面类型 Ⅰ型 Ⅱ型 C/Cu，W/Cu，Al2O3/Cu，Al2O3/Ag，B(BN)/Al，，B/Al①，SiC/Al①，不锈Nb，C/Ni②，V/Ni②，共晶体③
W/Cu(Ti)， C/Al(>100℃) ， Al2O3/Ti，B/Ti，SiC/Ti， Al2O3/Ni，SiO2/Al， B/Ni，B/Fe，B/不锈钢 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。
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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。 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。
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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。
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
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 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。
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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
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。 13 2015年3月19日星期四
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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
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第6章 金属基复合材料的 界面及其优化设计
江苏大学 材料科学与工程学院
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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。
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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 （2）钛及钛合 金基复合材料 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