1、金屬基復合材料的界面金屬基復合材料的界面復合材料導論制作者：湯凱智同組者：黃培 趙子淳 李昌健目錄問題一：針對金屬基、陶瓷基、聚合物基、水泥基問題一：針對金屬基、陶瓷基、聚合物基、水泥基復合材料中的一種材料，簡要介紹其界面的基本結復合材料中的一種材料，簡要介紹其界面的基本結構特征，界面結合是如何對復合材料的性能產生影構特征，界面結合是如何對復合材料的性能產生影響的？界面控制的途徑有哪些？界面是如何表征的？響的？界面控制的途徑有哪些？界面是如何表征的？問題二：針對你所感興趣的復合材料，簡要介紹其問題二：針對你所感興趣的復合材料，簡要介紹其制備方法（原理、適用范圍、優劣）制備方法（原理、適用范圍、

2、優劣）一.界面1.1界面的概念界面的概念金屬基復合材料中增強體與金屬基體接觸構成的界面，是一層具有一定厚度（納米以上）、結構隨基體和增強體而異的、與基體有明顯差別的新相界面相（界面層）。它是增強相和基體相連接的“紐帶”，也是應力及其他信息傳遞的橋梁。界面是金屬基復合材料極為重要的微結構，其結構與性能直接影響金屬基復合材料的性能。2.1界面的特征界面的特征 金屬基復合材料的基體一般是金屬合金，此種復合材料的制備需在接近或超過金屬基體熔點的高溫下進行。金屬基體與增強體在高溫復合時易發生不同程度的界面反應；金屬基體在冷卻、凝固、熱處理過程中還會發生元素偏聚、擴散、固溶、相變等。這些均使金屬基復合材料

3、界面區的結構十分復雜。 在金屬基復合材料界面區出現材料物理性質（如彈性模量、熱膨脹系數、導熱率、熱力學參數）和化學性質等的不連續性，使增強體與基體金屬形成了熱力學不平衡的體系。因此，界面的結構和性能對金屬基復合材料中應力和應變的分布，導熱、導電及熱膨脹性能，載荷傳遞，斷裂過程都起著決定性作用。5 根據上面的三種結合力，金屬基復合材料中的界面結合可以分為五種。界面的界面的結合力結合力有三類有三類化學結合力就是化學鍵，它在金屬基復合材料中有重要作用物理結合力包括范德華力和氫鍵，它存在于所有復合材料中，在聚合物基復合材料中占有很重要的地位。機械結合力就是摩擦力，它決定于增強物的比表面和粗糙度以及基體

4、的收縮，比表面和粗糙度越大，基體收縮越大、摩擦力也越大。機械結合力存在于所有復合材料中。2.1.1界面的結合機制界面的結合機制6溶解和潤濕結溶解和潤濕結合合基體與增強物之間發生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶基體與增強物之間發生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解而產生的一種結合形式解而產生的一種結合形式反應結合反應結合基體與增強物之間發生化學反應，在界面上形成化合物基體與增強物之間發生化學反應，在界面上形成化合物而產生的一種結合形式而產生的一種結合形式氧化物結合氧化物結合這種結合實際上是反應結合的一種特殊情況這種結合實際上是反應結合的一種特殊情況混合結合混合結合這種結合是最重要、最普遍的結合形式之一，

5、因為在實這種結合是最重要、最普遍的結合形式之一，因為在實際的復合材料中經常同時存在幾種結合形式際的復合材料中經常同時存在幾種結合形式7 3.1 界面界面對性能的影響對性能的影響 在金屬基復合材料中，界面結構和性能是影響基件和增強體性能充分發揮，形成最佳綜合性能的關鍵因素。 不同類型和用途的金屬基復合材料界面的作用和最佳界面結構性能有很大差別。 圖3-1是纖維增強復合材料的斷裂模型。圖圖3-1 顯微增強脆性基體復合材料的微觀斷裂模型顯微增強脆性基體復合材料的微觀斷裂模型（a）纖維）纖維“橋接橋接”示意示意 （b）裂紋穿過纖維，造成脆斷示意）裂紋穿過纖維，造成脆斷示意 83.1.1 連續纖維增強金

6、屬基復合材料的低應力破壞連續纖維增強金屬基復合材料的低應力破壞 連續纖維增強金屬基復合材料存在低應力破壞現象：即在制備過程中纖維沒有受損傷，纖維強度沒有變化，但復合材料的抗拉強度遠低于理論計算值，纖維的性能和增強作用沒有充分發揮。 導致低應力破壞的主要原因是（1）500加熱處理所發生的界面反應使鋁基體界面結合增強，強界面結合使界面失去調節應力分布、阻止裂紋擴展的作用；裂紋尖端的應力使纖維斷裂，造成脆性斷裂。（2）纖維在基體中分布不均勻，特別是某些纖維相互接觸，使復合材料內部應力分布不均勻。（3）纖維與基體之間存在脆性界面相也是復合材料低應力破壞的原因之一。9 3.1.2 界面對金屬基復合材料力

7、學性能的影響界面對金屬基復合材料力學性能的影響 關于界面的結構與性能對力學性能的影響機制前面已經介紹，下面討論對力學性能具體的影響。 界面結合強度對復合材料的彎曲、拉伸、沖擊和疲勞等性能有明顯影響，界面結合適中的C/Al復合材料的彎曲壓縮載荷高，是弱界面結合的23倍，材料的彎曲剛度也大大提高。 彎曲破壞分為材料下層的拉伸破壞區和上層的壓縮破壞區。在位拉伸破壞區內出現基體和纖維之間脫粘以及纖維輕微拔出現象；在壓縮區具有明顯的纖維受壓崩斷現象。可見界面結合適中，纖維不但發揮了拉伸增強作用，還充分發揮了壓縮強度和剛度。出于纖維的壓縮強度和剛度比其拉伸強度和剛度更大，因此對提高彎曲性能更為有利。強界面

8、結合的復合材料彎曲性能最差，受載狀態下在邊緣處一旦產生裂紋，便迅速穿過界面擴展，造成材料脆性彎曲破壞。10 界面結合強度對復合材料的沖擊性能影響較大。纖維從基體中拔出，纖維與基體脫粘后，不同位移造成的相對摩擦都會吸收沖擊能量，并且界面結合還影響纖維和基體的變形能力。 三種類型的復合材料沖擊斷裂過程如圖3-2所示， 弱界面結合的復合材料 適中界面結合的復合材料 強界面結合復合材料圖圖3-1 三種復合材料的典型沖擊載荷時間關系曲線三種復合材料的典型沖擊載荷時間關系曲線1弱界面結合弱界面結合 2適中界面結合適中界面結合 3強界面結合強界面結合114.1 界面優化與界面反應控制的途徑界面優化與界面反應

9、控制的途徑如何改善金屬基體與增強體的浸潤性、控制界面反應，形成最佳的界面結構，是金屬基復合材料金屬基復合金屬基復合材料制備過材料制備過程中生產、程中生產、應用的關鍵應用的關鍵界面優化界面優化的目標的目標形成能有效傳遞載荷、調節應力分布、阻止裂紋擴展的穩定的界面結構解決途徑解決途徑纖維等增強體的表面涂層處理、金屬基體合金化及制備工藝方法和參數控制124.2.1 4.2.1 纖維等增強體的表面涂層處理纖維等增強體的表面涂層處理 纖維表面改性及涂層處理可以有效地改善浸潤性和阻止嚴重的界面反應。4.2.3 4.2.3 金屬基體合金化金屬基體合金化 在液態金屬中加入適當的合金元素改善金屬液體與增強體的浸

10、潤性，阻止有害的界面反應，形成穩定的界面結構，是種有效、經濟的優化界面及控制界面反應的方法?，F有的金屬基體合金多數是選用現行的金屬合金。13 表1所示為在鋁中加入0.1%-0.5%Zr的復合材料在400、600加熱保溫的拉伸強度。由表可見，加入0.5Zr可以有效阻止高溫下碳和鋁反應，形成穩定的界面，600加熱1h，抗拉強度與純鋁基體復合材料的室溫強度相近，顯示出明顯的效果。 抗拉強度抗拉強度 / / MPaMPa 室溫室溫 400 400、1h1h 600 600、1h1h純純AlAlAl-0.1%ZrAl-0.1%ZrAl-0.5%ZrAl-0.5%Zr 1155.4 1155.4 1095

11、.6 1095.6 1224 1224 1014.3 1014.3 1032.1 1032.1 1232.8 1232.8 748.7 748.7 862.4 862.4 1102.5 1102.5表表1 不同合金元素含量對碳不同合金元素含量對碳/鋁復合材料拉伸性能影響鋁復合材料拉伸性能影響14界面組成及成分變化界面組成及成分變化界面區的位錯分布界面區的位錯分布界面強度的表征界面強度的表征界面殘余應力的測定界面殘余應力的測定界面結構的高分辨觀察及其原子模擬界面結構的高分辨觀察及其原子模擬1 12 23 34 45 5界面是復合材料極其重要的組成部分界面是復合材料極其重要的組成部分, ,全面而確切地表征界面是控制和改善金全面而確切地表征界面是控制和改善金屬基復合材料的最重要基礎之一。屬基復合材料的最重要基礎之一。5.1 復合材料界面表征復合材料界面表征 二.制備方法這里主要介紹粉末冶金復合法。粉末冶金復合法。 粉末冶金復合法基本原理與常規的粉末冶金法相同，包括燒結成形法、燒結制坯加塑法加工成形法等適合