6第六章_金属基复合材料的界面及其表征

2020年6月18日星期四1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2020年6月18日星期四26.1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。2020年6月18日星期四3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。6.2界面的特征2020年6月18日星期四4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界面的结合力有三类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。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。6.2.1界面的结合机制2020年6月18日星期四5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溶解和润湿结合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交换反应结合基体与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合物外，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2020年6月18日星期四66.2.2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。2020年6月18日星期四7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。表6-1金属基复合材料体系的界面类型界面类型体系Ⅰ型C/Cu，W/Cu，Al2O3/Cu，Al2O3/Ag，B(BN)/Al，，B/Al①，SiC/Al①，不锈钢/Al①Ⅱ型W/Cu(Cr)，W/Nb，C/Ni②，V/Ni②，共晶体③Ⅲ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。2020年6月18日星期四8Petrasek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（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（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（Ti、Zr）系。W与合金元素Ti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。2020年6月18日星期四96.2.2.2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。2020年6月18日星期四10（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6-1Ⅰ型界面控制2020年6月18日星期四11（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。2020年6月18日星期四12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6－2Ⅱ、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2020年6月18日星期四13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。2020年6月18日星期四146.2.3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6-5液体对固体表面的浸润情况2020年6月18日星期四15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γSVγSL,则cosθ0,θ90°,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γLVγSV-γSL，则1cosθ0,θ90°，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-γSVγLV，则液体在固体表面完全浸润时仍未达到平衡而铺展开来。γSV-γSL=γLVcosθLVSLSVcosθ＝（6-3）(6-4)2020年6月18日星期四16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：Wa=γLV+γSV-γSL(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:Wc＝2γLV(6-7)或2020年6月18日星期四17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。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。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)2020年6月18日星期四181.铝－碳系2.铝－硼系3.铝－碳化硅系4.铝－氧化铝系5.铝－铁系1.钛－硼系2.钛－碳化硅系3.钛－碳系•ClicktoaddText•ClicktoaddText•ClicktoaddText6.2.3.2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（2）钛及钛合金基复合材料(3)镍和镍合金基复合材料(4)镁和镁合金基复合材料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1.镁－碳系2.镁－硼系2020年6月18日星期四19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。图6-6复合材料强度与热暴露时间的关系2020年6月18日星期四20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CC-HTC-HMCCCC-ⅡCC-ⅠCCCCSiCSiCB/SiCB/SiCBBBBBBAl2O3Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3Al2O3MOWAlAlAlNiNiNiNiNiNiNiNi-CrCoCuAlAl-3%MgTiTi-6Al-4VAl-3%MgAl-3%MgAl-6061TiTi-6Al-4VNiNi80Ni-20CrNi-Cr-FeTiCHfCWWNiNi241001001511241124242424100.50.51001010.11000100~0212000.1515004.3241116000161001580475550600600~800900900100012301270500700800700580870350400500540580230370540505630870540760400100010001000142013201320100011001100AAAAAAAAABBBBBBBBBBⅡⅡⅡⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅡⅡⅡⅡⅡⅡ2020年6月18日星期四212、动力学相容性及界面反应的控制由于绝大多数有前景的复合材料体系在热力学上不相容，人们致力于减慢基体与增强物之间相互作用速度的研究，达到动力学相容性，得到有实际应用价值的