金屬基復(fù)合材料界面

1、華東理工大學(xué)20122013學(xué)年第二學(xué)期金屬基復(fù)合材料課程論文 2013.6班級(jí) 復(fù)材101 學(xué)號(hào) 10103638 姓名 溫樂(lè)斐 開(kāi)課學(xué)院 材料學(xué)院 任課教師 陳 麒 成績(jī) 論文題目：淺談金屬基復(fù)合材料界面特點(diǎn)、形成原理及控制方法論文要求：一、在下列題目中選擇一題作為課程論文題予以答題l 金屬基復(fù)合材料界面特點(diǎn)、形成原理和控制方法。l 闡述一種液態(tài)法制造工藝及討論工藝條件對(duì)金屬基復(fù)合材料性能的影響。l 長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料設(shè)計(jì)中主要影響因素和解決方法（舉例說(shuō)明）。二、課程論文形式要求完整的課程論文要有題目，摘要，正文和參考文獻(xiàn)四個(gè)部分組成。正文字?jǐn)?shù)不少于1500字。三、課程論文格式要求n

2、 A4紙，單面打印。n 頁(yè)面設(shè)置：左、右、下邊距為2.5厘米，上邊距為2.8厘米。n 正文用宋體小4號(hào)，字間距設(shè)置為“標(biāo)準(zhǔn)”，段落設(shè)置為“1.25倍行距”。正文中所有非漢字均用Times New Roman體。表名位于表的正上方，用宋體小五號(hào)粗體，圖的大小不超過(guò)8X8cm，圖名位于圖的正下方，用宋體小五號(hào)粗體。n 數(shù)學(xué)公式用斜體，須有編號(hào)。若有參考文獻(xiàn)，其格式為“參考文獻(xiàn)”居中，用黑體小4號(hào)，著錄的內(nèi)容應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（參見(jiàn)華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)）。四、完成時(shí)間n 6月19日中午11:00前交至各班學(xué)習(xí)委員后送校和平樓303室。教師評(píng)語(yǔ)：教師簽字： 年 月 日淺談金屬基復(fù)合材料界面特點(diǎn)、形成原理及控制

3、方法摘要金屬基復(fù)合材料都要在基體合金熔點(diǎn)附近的高溫下制備，在制備過(guò)程中纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體與基體將發(fā)生程度不同的相互作用和界面反應(yīng)，形成各種結(jié)構(gòu)的界面。界面結(jié)構(gòu)和性能對(duì)金屬基復(fù)合材料的性能起著決定性作用。深入研究和掌握界面反應(yīng)和界面影響性能的規(guī)律，有效地控制界面的結(jié)構(gòu)和性能，是獲得高性能金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵。本文簡(jiǎn)單討論一下金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng)、界面對(duì)性能的影響以及控制界面反應(yīng)和優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)的有效途徑等問(wèn)題。前言由高性能纖維、晶須、顆粒與金屬組成的金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹、耐熱耐磨、導(dǎo)電導(dǎo)熱等優(yōu)異的綜合性能有廣闊的應(yīng)用前景，是一類正在發(fā)展的重要高技術(shù)新材料。隨著金

4、屬基復(fù)合材料要求的使用性能和制備技術(shù)的發(fā)展，界面問(wèn)題仍然是金屬基復(fù)合材料研究發(fā)展中的重要研究方向。特別是界面精細(xì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)、界面優(yōu)化設(shè)計(jì)、界面反應(yīng)的控制以及界面對(duì)性能的影響規(guī)律等，尚需結(jié)合材料類型、使用性能要求深入研究。金屬基復(fù)合材料的基體一般是金屬、合金和金屬間化合物，其既含有不同化學(xué)性質(zhì)的組成元素和不同的相，同時(shí)又具有較高的熔化溫度。因此，此種復(fù)合材料的制備需在接近或超過(guò)金屬基體熔點(diǎn)的高溫下進(jìn)行。金屬基體與增強(qiáng)體在高溫復(fù)合時(shí)易發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)；金屬基體在冷凝、凝固、熱處理過(guò)程中還會(huì)發(fā)生元素偏聚、擴(kuò)散、固溶、相變等。這些均使金屬基復(fù)合材料界面區(qū)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，界面區(qū)的結(jié)構(gòu)及組成明顯不同

5、于基體和增強(qiáng)體，其受到金屬基體成分、增強(qiáng)體類型、復(fù)合上藝參數(shù)等多種因素的影響。 在金屬基復(fù)合材料界上出現(xiàn)材料物理性質(zhì)（如彈性模量、線脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱力學(xué)參數(shù)）和化學(xué)性質(zhì)等的不連續(xù)性，使增強(qiáng)體與基體金屬形成了熱力學(xué)不平衡的體系。因此，界面的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)金屬基復(fù)合材料中的應(yīng)力和應(yīng)變的分布、導(dǎo)熱和導(dǎo)電、熱膨脹性能、載荷傳遞及斷裂過(guò)程都起著決定性作用。針對(duì)不同類型的金屬基復(fù)合材料，深入研究界面精細(xì)結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化與控制途徑，以及界面結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定性等，是金屬基復(fù)合材料發(fā)展中的重要內(nèi)容。圖1：制備關(guān)系圖正文部分1.金屬基復(fù)合材料界面特點(diǎn)與形成原因由于金屬基復(fù)合材料必須在高溫下制備，基體與增強(qiáng)體

6、之間的界面反應(yīng)：溶解、擴(kuò)散、元素偏聚等很難避免，界面反應(yīng)及作用的程度與基體、增強(qiáng)體的類型、化學(xué)、物理性質(zhì)及制備工藝參數(shù)密切相關(guān)。集體和增強(qiáng)體一旦選定，制備過(guò)程就決定界面結(jié)構(gòu)和性能，特別是制備時(shí)的溫度和高溫下暴露的時(shí)間（保溫及冷卻過(guò)程）。溫度越高，停留時(shí)間越長(zhǎng)，界面反應(yīng)及作用越嚴(yán)重。比較好的金屬基復(fù)合材料界面應(yīng)該是起到良好地粘結(jié)基體與增強(qiáng)材料但是又不能過(guò)分發(fā)生反應(yīng)，不能產(chǎn)生大量的化合物、氣泡以及出現(xiàn)應(yīng)力集中等不良狀況。界面的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)復(fù)合材料中應(yīng)力、應(yīng)變分布、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、熱膨脹性能、載荷的有效傳遞、斷裂過(guò)程均起著決定性的作用。金屬基復(fù)合材料界面除了機(jī)械結(jié)合、溶解與潤(rùn)濕結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合、交換反應(yīng)結(jié)

7、合和混合結(jié)合外，還有氧化物結(jié)合。（1）機(jī)械結(jié)合：基體與增強(qiáng)體之間僅僅依靠純粹的粗糙表面相互嵌入（互鎖）作用進(jìn)行連接，成為機(jī)械結(jié)合或機(jī)械互鎖。纖維的表面粗糙度有助于基體的嵌合，基體的收縮有助于對(duì)纖維箍緊。事實(shí)上，純粹的機(jī)械結(jié)合（即無(wú)任何化學(xué)作用）是不存在的?；w與增強(qiáng)體之間總會(huì)有弱的范德華力存在，故機(jī)械結(jié)合更確切地將是機(jī)械結(jié)合占優(yōu)勢(shì)的一種結(jié)合而大多情況下是機(jī)械結(jié)合與反應(yīng)結(jié)合并存的一種混合結(jié)合。另外，機(jī)械結(jié)合只有當(dāng)平行于界面施加作用力時(shí)候，其傳遞載荷才是有效的。陶瓷基復(fù)合材料中的界面，大多以機(jī)械結(jié)合為主。機(jī)械結(jié)合的特點(diǎn)：1.界面粗糙度對(duì)結(jié)合力起決定作用，因此表面刻蝕的增強(qiáng)體比光滑表面構(gòu)成的復(fù)合材料

8、強(qiáng)度大2-3倍；2.載荷平行于界面時(shí)承擔(dān)的應(yīng)力大，而垂直與界面時(shí)承擔(dān)的應(yīng)力非常小。（2）溶解與潤(rùn)濕結(jié)合：在復(fù)合材料制造的過(guò)程中基體與增強(qiáng)體之間首先發(fā)生潤(rùn)濕，然后相互溶解，所形成的結(jié)合方式稱為溶解與潤(rùn)濕結(jié)合。潤(rùn)濕作用通常是主要的，而溶解是次要的，因?yàn)樵诟邷叵略拥臄U(kuò)散時(shí)間很短。在這種情況下，組分之間的相互作用出現(xiàn)在電子等級(jí)上，即短程范圍，這意味著這些組分將進(jìn)入原子尺度的接觸。溶解與潤(rùn)濕結(jié)合的特點(diǎn)：作用力短，只有幾個(gè)原子距離；增強(qiáng)體存在氧化物膜，使得增強(qiáng)體與基體不潤(rùn)濕，需要破壞氧化層才能使增強(qiáng)體與基體潤(rùn)濕并產(chǎn)生一定的結(jié)合力；在增強(qiáng)體表面能很小時(shí)，采用表面鍍膜層處理（如CVD）使兩相之間的接觸角小于

9、90°，產(chǎn)生潤(rùn)濕，產(chǎn)生一定的結(jié)合作用力。（3）反應(yīng)結(jié)合：基體與纖維間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成一種新的化合物而產(chǎn)生的結(jié)合稱為反應(yīng)結(jié)合。這是一種最復(fù)雜、最重要的結(jié)合方式。反應(yīng)結(jié)合受擴(kuò)散控制，能夠發(fā)生反應(yīng)的兩種元素或化合物，只有通過(guò)相互接觸和相互擴(kuò)散才能發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)。擴(kuò)散包括反應(yīng)物質(zhì)在組分物質(zhì)中的擴(kuò)散（反應(yīng)初期）和在反應(yīng)物質(zhì)中的擴(kuò)散（反應(yīng)后期）。不能籠統(tǒng)認(rèn)為基體與纖維產(chǎn)生的反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)結(jié)合，只有當(dāng)反應(yīng)后能產(chǎn)生界面結(jié)合的體系才能算是反應(yīng)結(jié)合，如果反應(yīng)后界面產(chǎn)生大量脆性化合物，造成界面弱化，這不僅不能稱為反應(yīng)結(jié)合，反而應(yīng)稱為反應(yīng)阻礙結(jié)合。要實(shí)現(xiàn)良好的反應(yīng)結(jié)合，必須選擇最佳的制造工藝參

10、數(shù)（溫度、壓力、時(shí)間、氣氛等）來(lái)控制界面反應(yīng)的程度。（4）交換反應(yīng)結(jié)合：當(dāng)增強(qiáng)體或基體成分含有兩種或兩種以上元素時(shí)，除發(fā)生界面反應(yīng)外，在增強(qiáng)體、基體與反應(yīng)產(chǎn)物之間還會(huì)發(fā)生元素交換。所產(chǎn)生的結(jié)合稱為交換反應(yīng)結(jié)合。交換反應(yīng)結(jié)合的典型例子是硼纖維/鈦合金復(fù)合材料系。（5）混合結(jié)合：當(dāng)由增強(qiáng)體和基體金屬組成復(fù)合材料時(shí)，某些金屬基體表面存在致密的氧化膜。此氧化膜常常逐漸被某種工藝因素或化學(xué)反應(yīng)破壞，使增強(qiáng)體與基體之間的界面從非化學(xué)結(jié)合向化學(xué)結(jié)合過(guò)渡，在過(guò)渡過(guò)程中，界面既存在機(jī)械結(jié)合又存在化學(xué)結(jié)合，成為混合結(jié)合?；旌辖Y(jié)合的典型例子是硼纖維增強(qiáng)鋁合金（6061）復(fù)合材料Bf(25%)Al系。該復(fù)合材料一般采

11、用熱壓擴(kuò)散結(jié)合方式制造，制造溫度約為550。在此溫度和壓力下，硼纖維與鋁纖維基體的接觸時(shí)間約為0.5h。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，將Bf/Al復(fù)合材料在550加熱0.5h、5h、12h和165h后，拉伸強(qiáng)度分別為593MPa、524MPa、442MPa和317MPa。以上結(jié)果表明，拉伸強(qiáng)度隨著時(shí)間增加而減少；這是因?yàn)殡S著時(shí)間延續(xù)，鋁的氧化膜逐漸破壞，B與Al之間出現(xiàn)機(jī)械結(jié)合過(guò)渡到機(jī)械結(jié)合與反應(yīng)結(jié)合并存；B與Al之間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致硼纖維的強(qiáng)度降低，從而引起復(fù)合材料性能下降。（6）氧化物結(jié)合：氧化物結(jié)合是指當(dāng)采用的增強(qiáng)體是某種氧化物時(shí)，其與基體間發(fā)生反應(yīng)生成另一種氧化物，所產(chǎn)生的結(jié)合。具有氧化物結(jié)合的體系有A

12、l2O3f/Ni、Al2O3f/Cu、SiO2f/Al等。氧化物增強(qiáng)體與基體反應(yīng)與否，取決于形成基體氧化物的自由能，同時(shí)，還要看氣氛中氧的來(lái)源情況。一般情況下，金屬基復(fù)合材料是以界面化學(xué)結(jié)合為主，有時(shí)也會(huì)有兩種或兩種以上界面結(jié)合方式并存的現(xiàn)象。另外，即使對(duì)于相同的組分、相同的工藝制備的復(fù)合材料，對(duì)應(yīng)于不同的部位其界面結(jié)構(gòu)也有較大差別。 通常將金屬基復(fù)合材料界面分成、三種類型： 型界面代表增強(qiáng)體與基體金屬既不溶解也不反應(yīng)（包括機(jī)械結(jié)合和氧化物結(jié)合）；型界面代表增強(qiáng)體與基體金屬之間可以溶解；但不反應(yīng)（即溶解與潤(rùn)濕結(jié)合）；型界面表示增強(qiáng)體與基體之間發(fā)生反應(yīng)并形成化合物（包括交換反應(yīng)結(jié)合和混合結(jié)合）見(jiàn)

13、表1所示：表1 金屬基復(fù)合材料體系的界面類型界面類型體 系型C/Cu, W/Cu, Al2O3/Cu, Al2O3/Ag, B(BN)/Al, B/Al, SiC/Al, 不銹鋼/Al型W/Cu(Cr), W/Nb, C/Ni, V/Ni, 共晶體型W/Cu(Ti), C/Al(>100), Al2O3/Ti, B/Ti, SiC/Ti, Al2O3/Ni, SiO2/Al, B/Ni, B/Fe, B/不銹鋼表示偽型界面。該體系在低溫時(shí)生成Ni4V。當(dāng)兩組元溶解度極低時(shí)劃為型。 表1中偽型界面的含義是：按熱力學(xué)分析該種體系的增強(qiáng)體與基體之間應(yīng)該發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但基體金屬的氧化膜阻止反應(yīng)的

14、進(jìn)行，反應(yīng)能否進(jìn)行，取決于氧化膜的完整程度。當(dāng)氧化膜尚完整時(shí)，屬于型界面；當(dāng)工藝過(guò)程中溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使機(jī)體氧化膜破壞時(shí)，組分之間將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)樾徒缑?。具有偽型界面特征的?fù)合材料系在工藝上宜采用固態(tài)法（加熱法、粉末冶金、擴(kuò)散結(jié)合），而不宜采用液態(tài)浸滲法，以免變?yōu)樾徒缑娑鴵p傷增強(qiáng)體。2. 金屬基復(fù)合材料界面微觀結(jié)構(gòu)金屬基復(fù)合材料界面是指金屬基體與增強(qiáng)體之間的化學(xué)成分和物理、化學(xué)性質(zhì)明顯不同，構(gòu)成彼此結(jié)合并能起傳遞載荷作用的微小區(qū)域。界面微區(qū)的厚度可以從一個(gè)原子層到幾個(gè)微米。由于金屬基體與增強(qiáng)體的類型、組分、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)物理性質(zhì)有很大差別，以及在高溫制備過(guò)程中有元素的擴(kuò)散、偏聚、相

15、互反應(yīng)等，從而形成復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)。界面區(qū)包括了基體與增強(qiáng)體的接觸連接面、基體與增強(qiáng)體相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物與接觸連接面、基體與增強(qiáng)體相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物和析出相、增強(qiáng)體的表面涂層作用區(qū)、元素的擴(kuò)散和偏聚區(qū)、近界面的高密度位錯(cuò)區(qū)等。金屬基復(fù)合材料中的典型結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：（1）有界面反應(yīng)產(chǎn)物的界面微結(jié)構(gòu)：多數(shù)金屬基復(fù)合材料在制備過(guò)程中發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)。輕微的界面反應(yīng)能有效地改善金屬基體與增強(qiáng)體的浸潤(rùn)和結(jié)合，是十分有利的；嚴(yán)重界面反應(yīng)將造成增強(qiáng)體的損傷和形成脆性界面相等，十分有害；界面反應(yīng)通常是在局部區(qū)域中發(fā)生的，形成顆粒、棒狀、片狀的反應(yīng)產(chǎn)物，而不是同時(shí)在增強(qiáng)體和基體相接觸的界面上發(fā)生

16、層狀物。只有嚴(yán)重的界面反應(yīng)才可能形成界面反應(yīng)層。碳（石墨）/鋁復(fù)合材料是研究發(fā)展最早的性能優(yōu)異的復(fù)合材料之一。碳（石墨）纖維的密度?。?.82.1g/cm3）、強(qiáng)度高（35007000MPa）、模量高（250910GPa）、導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)接近于零。用它來(lái)增強(qiáng)鋁、鎂組成的復(fù)合材料，綜合性能優(yōu)異。但是碳（石墨）纖維與鋁基體在500以上會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)。有效地控制界面反應(yīng)十分重要。當(dāng)制備工藝參數(shù)控制合適時(shí)，界面反應(yīng)輕微，界面形成少量細(xì)小的Al4C3。制備溫度過(guò)高、冷卻速度過(guò)慢將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，形成大量條狀的Al4C3。碳（石墨）/鋁、碳（石墨）/鎂、氧化鋁/鎂、硼/鋁、碳化硅/鋁、碳化硅/

17、鈦、硼酸鋁/鋁等一些主要類型的金屬基復(fù)合材料，都存在界面反應(yīng)的問(wèn)題。它們的界面結(jié)構(gòu)中一般都有界面反應(yīng)產(chǎn)物。（2）有元素偏聚和析出相的界面微結(jié)構(gòu)：金屬基復(fù)合材料的基體選用金屬合金，很少選用純金屬。基體合金中含有各種金屬化合物析出相，如鋁合金中加入銅、鎂、鋅等元素會(huì)生成細(xì)小的Al2Cu、Al2CuMg、Al2MgZn等時(shí)效強(qiáng)化相。由于增強(qiáng)體表面吸附作用，基體金屬中合金元素在增強(qiáng)體的表面富集，為在界面區(qū)生成析出相創(chuàng)造了有利條件。在碳纖維增強(qiáng)鋁或鎂復(fù)合材料中均可發(fā)現(xiàn)界面上有Al2Cu、Mg17Al12化合物析出相存在。（3）增強(qiáng)體與集體直接進(jìn)行原子結(jié)合的界面結(jié)構(gòu)：增強(qiáng)體與基體直接進(jìn)行原子結(jié)合，形成清潔

18、、平直界面，界面上既無(wú)反應(yīng)產(chǎn)物也無(wú)析出相。該種界面結(jié)構(gòu)常見(jiàn)于自生增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料，如TiB2/NiAl自生復(fù)合材料。（4）其他類型的界面結(jié)構(gòu)：金屬基復(fù)合材料基體合金中不同合金元素在高溫制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生元素的擴(kuò)散、吸附和偏聚，在界面微區(qū)形成合金元素濃度梯度層。元素濃度梯度層的厚度、元素濃度梯度層的大小與元素的性質(zhì)、加熱過(guò)程中的溫度和時(shí)間有密切關(guān)系。如用電子能量損耗譜測(cè)定經(jīng)加熱處理的碳化鈦顆粒增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料中氧化鈦顆粒表面，發(fā)現(xiàn)存在明顯的碳濃度梯度。碳濃度梯度層的厚度與加熱溫度有關(guān)。經(jīng)過(guò)800加熱1h，碳化鈦顆粒中碳濃度由50%降低到38%，其梯度層的厚度約為1000nm；而經(jīng)1000加熱

19、1h，其梯度層厚為1500nm。由于金屬基復(fù)合材料組成體系和制備方法的特點(diǎn)，多數(shù)金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，即使同一種復(fù)合材料也存在不同類型的界面結(jié)構(gòu)，即有增強(qiáng)體與基體直接原子結(jié)合的清潔、平直界面結(jié)構(gòu)，也有界面反應(yīng)產(chǎn)物的界面結(jié)構(gòu)，也有析出物的界面結(jié)構(gòu)等。3. 金屬基復(fù)合材料界面穩(wěn)定性金屬基復(fù)合材料的主要特點(diǎn)在于它能比樹(shù)脂基復(fù)合材料高的溫度下使用，因此對(duì)金屬基復(fù)合材料的界面要求在允許的高溫條件下，長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。如果某一種復(fù)合材料及其半成品的原始性能很好，但是在較高溫度下使用或在進(jìn)一步加工過(guò)程中由于界面發(fā)生變化而使得性能下降，則這種復(fù)合材料沒(méi)有實(shí)際使用價(jià)值。金屬基復(fù)合材料的界面不穩(wěn)定因素有

20、兩類，即物理不穩(wěn)定性和化學(xué)不穩(wěn)定性。（1）物理不穩(wěn)定性：這種不穩(wěn)定性因素主要表現(xiàn)為基體與增強(qiáng)體之間在使用的高溫條件下發(fā)生溶解以及溶解與再析出現(xiàn)象。發(fā)生溶解的典型例子是鎢絲增強(qiáng)鎳復(fù)合材料。鎢在鎳中有很大的固溶度，盡管在制造時(shí)可以采取快速浸漬和快速凝固的辦法來(lái)防止溶解，但是這種復(fù)合材料的使用對(duì)象是制作高溫下工作的零部件（例如渦輪葉片），工作溫度在1000以上，如不采取有力措施，將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。例如在1100左右使用50h，0.25m直徑的鎢絲只剩下60%。也有個(gè)別的特殊情況，溶解現(xiàn)象不一定造成壞的結(jié)果。例如在鎢錸合金絲增強(qiáng)鈮合金復(fù)合材料中，鎢也會(huì)融入鈮合金中，但由于形成很強(qiáng)的鎢鈮合金會(huì)對(duì)鎢絲的損失

21、起到補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑥?qiáng)度能基本保持恒定或者略有提高。在界面上的溶解再析出過(guò)程可以使得增強(qiáng)體的局及形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對(duì)性能產(chǎn)生極大影響。原先人們以為，Ni-C系中不生成化合物，它們?cè)诨瘜W(xué)上應(yīng)是相容的，因此將它們作為一種有前景的。能在高溫下應(yīng)用的復(fù)合材料進(jìn)行研究。但是很快發(fā)現(xiàn)，這種體系在較高溫度（800以上）下碳會(huì)先溶入鎳中，而后又析出，析出的碳都變成了石墨結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于碳變成石墨結(jié)構(gòu)是密度增大留下了空隙，給鎳提供了滲入碳纖維擴(kuò)散聚集的地方，結(jié)果使得碳纖維的強(qiáng)度嚴(yán)重降低。溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，碳纖維的強(qiáng)度損失越大。（2）化學(xué)不穩(wěn)定因素：化學(xué)不穩(wěn)定因素主要是復(fù)合材料在制造、加工和使用過(guò)程中發(fā)生的界面化學(xué)

22、作用，它包括界面反應(yīng)、交換反應(yīng)和暫穩(wěn)態(tài)界面的變化幾種現(xiàn)象。發(fā)生界面反應(yīng)時(shí)，生成化合物，絕大多數(shù)化合物較之幾種金屬基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)體更脆，在外載荷作用下首先在化合物中產(chǎn)生裂紋，當(dāng)化合物超過(guò)一定厚度后，復(fù)合材料的性能將由其左右而降低。此外，化合物的生成也可能對(duì)增強(qiáng)體本身的性能有所影響。因此這是一種十分有害的因素，務(wù)必設(shè)法消除或抑制。基體與增強(qiáng)體的化學(xué)反應(yīng)可能發(fā)生在化合物/增強(qiáng)體之間的接觸面上，即增強(qiáng)體一側(cè)，也可以發(fā)生在基體/化合物之間的接觸面上，即基體一側(cè)，也可能在兩個(gè)接觸面上同時(shí)發(fā)生。在研究比較多的幾種復(fù)合材料中以發(fā)生在基體一側(cè)比較多見(jiàn)。交換反應(yīng)不穩(wěn)定因素主要發(fā)生在當(dāng)基體含有兩種或兩種以上元

23、素的合金時(shí)。其過(guò)程可分為兩步：第一步為增強(qiáng)體與合金生成化合物，此化合物中暫時(shí)包含了合金中的所有元素；第二步為根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律，增強(qiáng)體元素總是優(yōu)先與合金中的某一元素起反應(yīng)，因此原先生成的化合物中的其他元素將與鄰近基體合金中的這一元素起交換反應(yīng)直到達(dá)到平衡。交換反應(yīng)的結(jié)果是最易與增強(qiáng)體反應(yīng)的基體的合金元素將富集在界面層，而不易或不能與增強(qiáng)體反應(yīng)的基體的合金元素則在鄰近界面的基體中富集。有人認(rèn)為，基體中不形成化合物的元素向基體中的擴(kuò)散事實(shí)上控制著整個(gè)過(guò)程的速度。因此，可以選擇適當(dāng)?shù)幕w成分來(lái)降低交換反應(yīng)的速度。多種鈦合金與硼的復(fù)合材料中存在這種不穩(wěn)定因素。應(yīng)該指出，交換反應(yīng)不穩(wěn)定因素不一定有害，有時(shí)候

24、還有益。就拿鈦合金/硼復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，正是那些不易和不能與B生成化合物的元素在界面附近的富集，提供了B向基體擴(kuò)散的額外的阻擋層，因此減慢了反應(yīng)速度。暫穩(wěn)態(tài)界面的變化發(fā)生在具有準(zhǔn)型界面的復(fù)合材料中，發(fā)生變化的主要原因是原先的氧化膜由于機(jī)械作用、球化、溶解等受到破壞，逐步向型界面轉(zhuǎn)變，這當(dāng)然也是很危險(xiǎn)的。保持氧化膜的不破壞是消除這類不穩(wěn)定因素的最有效辦法。通過(guò)上面的分析可以清楚地看到，為了得到性能良好的復(fù)合材料，必須要有一個(gè)合適的界面。對(duì)于一些復(fù)合材料應(yīng)將基體與增強(qiáng)體之間的溶解和相互作用控制在一定的范圍，對(duì)于另一些復(fù)合材料應(yīng)改善基體與增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度。4. 金屬基復(fù)合材料的界面反應(yīng)控制金屬基

25、復(fù)合材料制備過(guò)程中如何改善金屬基體與增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性、抑制界面反應(yīng)，形成理想的界面結(jié)構(gòu)，是金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)、應(yīng)用的關(guān)鍵。界面優(yōu)化的目標(biāo)是，形成能有效傳遞載荷、調(diào)節(jié)應(yīng)力分布、阻止裂紋擴(kuò)展、穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。界面反應(yīng)可以通過(guò)界面反應(yīng)熱力學(xué)和界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)控制。從反應(yīng)熱力學(xué)的角度，通過(guò)適當(dāng)?shù)幕w與增強(qiáng)體（包括表面涂覆層）的成分，控制兩者的化學(xué)位差，進(jìn)行合理匹配，可以從根本上控制界面反應(yīng)。例如，Ni-38W/W-0.3Ni體系的界面化學(xué)位梯度接近零。其最簡(jiǎn)單、直觀的方法是參見(jiàn)有關(guān)相圖（相互溶解或反應(yīng)），但相圖不全，且基體本身就是復(fù)雜的合金，很難判斷，一般還是由試驗(yàn)確定。根據(jù)界面反應(yīng)熱力學(xué)僅能初步選定基

26、體/增強(qiáng)體匹配，且事實(shí)上目前有用的復(fù)合材料體系很多熱力學(xué)相容性差。從界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度，可以通過(guò)控制界面反應(yīng)速度、反應(yīng)時(shí)間來(lái)控制界面層厚度，而反應(yīng)速度主要由擴(kuò)散控制。可以通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間、溫度及擴(kuò)散激活能來(lái)控制界面反應(yīng)層的厚度。通?？梢圆捎迷鰪?qiáng)體的表面處理、金屬基合金化及制備工藝方法和參數(shù)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。（1）纖維等增強(qiáng)體的表面涂層處理：纖維表面改性及涂層處理可有效地改善浸潤(rùn)性和阻止嚴(yán)重的界面反應(yīng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。選用化學(xué)鍍或電鍍?cè)谠鰪?qiáng)體表面鍍銅、鍍銀，選用化學(xué)氣相沉積法在纖維表面涂覆TI-B、SiC、TiC、B4C等涂層以及C/SiC、C/SiC/Si復(fù)合涂層，選用溶膠凝膠法在纖維等

27、增強(qiáng)材料表面涂覆Al2O3、SiO2、SiC、Si3N4等陶瓷涂層。涂層厚度一般在即使納米到1m，有明顯改善浸潤(rùn)性和阻止界面反應(yīng)的作用。其中效果較好的是Ti-B等涂層、梯度復(fù)合涂層。在Cf/Al系中，潤(rùn)濕性差是一個(gè)主要問(wèn)題。提高制造溫度至約1000以上雖然可以改善潤(rùn)濕性，但是，在高于500時(shí)，碳纖維與鋁間就會(huì)發(fā)生有害化學(xué)反應(yīng)，界面生成脆性相Al4C3,因此不宜采用提高溫度的方法來(lái)改善潤(rùn)濕性工程中有效的改善途徑是進(jìn)行纖維涂層。使Ti-B共沉積于碳纖維表面，是常見(jiàn)的碳纖維表面處理方法。這樣的涂層可促進(jìn)熔融鋁對(duì)碳纖維的潤(rùn)濕。涂層碳纖維滲透鋁后，成為Cf/Al預(yù)制絲。但是，Ti-B涂層在熔融鋁中很不穩(wěn)

28、定，會(huì)引起纖維降級(jí)并消弱復(fù)合材料性能。進(jìn)行碳纖維表面處理時(shí)，為了提高效率，可以采用多個(gè)紗線架，同時(shí)在涂層過(guò)程中，可以對(duì)纖維施加張力。首先要去除碳纖維表面涂層的聚乙烯醇保護(hù)膜，然后凈化、活化碳纖維表面，在用化學(xué)氣相沉積法沉積Ti-B涂層，最后與熔融鋁復(fù)合制成預(yù)制絲。Ti-B涂層的碳纖維適用于制備鋁基復(fù)合材料。（2）金屬基體合金化：在液態(tài)金屬中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪馗纳平饘僖后w與增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性，阻止有害的界面反應(yīng)，形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，是一種有效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化界面以及控制界面反應(yīng)的方法。現(xiàn)有的金屬基體合金多數(shù)是選用工業(yè)合金。金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)機(jī)制與金屬合金的強(qiáng)化機(jī)制不同。金屬合金加入合金元素主要是起固溶強(qiáng)

29、化和時(shí)效強(qiáng)化金屬作用。如在Al合金中加入Cu、Mg、Zn、Si等元素，經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理，在鋁合金中生成細(xì)小的時(shí)效強(qiáng)化相，有效地提高鋁合金的強(qiáng)度。對(duì)金屬基復(fù)合材料，特別是連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，纖維是主要承載體，金屬基體主要是固結(jié)纖維和傳遞載荷的作用。金屬基體組分選擇不在于強(qiáng)化基體和提高基體的強(qiáng)度，而是著眼于獲得最佳的界面結(jié)構(gòu)和具有良好塑性的合適的總體性能，使得纖維的性能和增強(qiáng)作用得以充分發(fā)揮。因此金屬基復(fù)合材料中，應(yīng)盡量避免選擇易參與界面反應(yīng)生成界面脆性相、造成強(qiáng)界面結(jié)合的合金元素。如鋁基復(fù)合材料基體中的Cu元素易在界面產(chǎn)生偏聚、形成Al2Cu脆性相，嚴(yán)重時(shí)脆性相將纖維“橋接”，造成復(fù)合材

30、料低應(yīng)力脆性斷裂。真對(duì)金屬基復(fù)合材料最佳界面結(jié)構(gòu)的要求，選擇加入少量能抑制界面反應(yīng)，提高界面穩(wěn)定性和改善增強(qiáng)體與金屬基體浸潤(rùn)性的元素。表2所示為鋁中加入0.1%0.5%Zr的復(fù)合材料在400、600加熱保溫的抗拉強(qiáng)度。可見(jiàn)，在鋁合金中加入0.5%Zr，可明顯提高界面穩(wěn)定性，抑制高溫下的界面反應(yīng)，使復(fù)合材料在較高溫度下仍能保持高的力學(xué)性能。表2 不同Zr含量對(duì)碳/鋁復(fù)合材料拉伸性能影響材 料抗拉強(qiáng)度/MPa室 溫400，1h600，1h純Al1155.41014.3748.7Al+0.1%Zr1095.61032.1862.4AL+0.5%Zr12241232.81102.5總之，在基體金屬中加

31、入少量的合金元素，并應(yīng)用相應(yīng)的制備工藝是一種經(jīng)濟(jì)有效、簡(jiǎn)單可行的優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和控制界面反應(yīng)的途徑。（3）優(yōu)化制備工藝方法和參數(shù)：界面反應(yīng)程度主要取決于制備方法和工藝參數(shù)，因此優(yōu)化制備工藝和嚴(yán)格控制工藝參數(shù)是優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和控制界面反應(yīng)的重要的途徑。由于高溫下基體和增強(qiáng)體元素的化學(xué)活性均迅速增加，溫度越高反應(yīng)越激烈，在高溫下停留時(shí)間越長(zhǎng)反應(yīng)越嚴(yán)重。因此在制備方法和工藝參數(shù)的選擇上首先考慮制備溫度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度。在確復(fù)合完好的情況下，制備溫度盡可能低，復(fù)合過(guò)程和復(fù)合后在高溫下保持時(shí)間盡可能短，在界面反應(yīng)溫區(qū)冷卻盡可能快，而低于反應(yīng)溫度后應(yīng)減小冷卻速度，以免造成大的殘余應(yīng)力影響材料性能其它工

32、藝參數(shù)如壓力、氣氛等也不可忽視，需綜合考慮。界面優(yōu)化和界面反應(yīng)的控制與制備方法緊密聯(lián)系在一起，必須考慮經(jīng)濟(jì)性、可操作性和有效性，對(duì)不同的金屬基復(fù)合材料要有針對(duì)性地選擇界面優(yōu)化和控制界面反應(yīng)的途徑。5.界面對(duì)金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料的彎曲、拉伸、沖擊和疲勞等性能有很明顯的影響，界面結(jié)合適中的C/Al復(fù)合材料的彎曲壓縮載荷高，是弱界面結(jié)合的23倍，材料的彎曲剛度也大大提高。彎曲破壞包括材料下層的拉伸破壞區(qū)和上層的壓縮破壞區(qū)。在拉伸破壞區(qū)內(nèi)出現(xiàn)集體和纖維之間脫粘以及纖維輕微拔出現(xiàn)象；在壓縮區(qū)具有明顯的纖維受壓崩斷現(xiàn)象?？梢?jiàn)界面結(jié)合適中，纖維不但發(fā)揮了拉伸增強(qiáng)作用，還充分發(fā)揮了壓縮強(qiáng)度和剛度。由于纖維的壓縮強(qiáng)度和剛度比其拉伸強(qiáng)度和剛度大，因此對(duì)提高彎曲性能更為有利。強(qiáng)界面結(jié)合的復(fù)合材料彎曲性最差，受載狀態(tài)下在邊緣處一旦產(chǎn)生裂紋，便迅速穿過(guò)界面拓展，造成材料脆性彎曲破壞。界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)復(fù)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