研究生課程-金屬基復(fù)合材料綜述.

1、金屬基復(fù)合材料（MMC） 2013.09一、金屬基復(fù)合材料概述1、金屬基復(fù)合材料的分類1 - 1、按增強(qiáng)材料分類： 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料1 - 2、按基體材料分類： 鋁基復(fù)合材料 鎂基復(fù)合材料 鈦基復(fù)合材料 高溫合金基復(fù)合材料 金屬間化合物基復(fù)合材料2、金屬基復(fù)合材料的研究重點2、金屬基復(fù)合材料的研究重點 1）不同基體和不同增強(qiáng)相復(fù)合效果、復(fù)合材料的設(shè)計和性能； 2）增強(qiáng)相/基體的界面優(yōu)化、界面設(shè)計； 3）制備工藝的研究，以提高復(fù)合材料的性能和降低成本； 4）新型增強(qiáng)劑的研究開發(fā)； 5）復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用。 二、金屬基復(fù)合材料的制備工藝 1、金屬基復(fù)合材料制備工

2、藝概述1 - 1 金屬基復(fù)合材料制備工藝的研究內(nèi)容以及選擇原則：1）基體與增強(qiáng)劑的選擇，基體與增強(qiáng)劑的結(jié)合：增強(qiáng)劑與基體之間應(yīng)具有良好的物理相容性物理相容性和化學(xué)相容性?；瘜W(xué)相容性。另外，如果在復(fù)合材料中使用高強(qiáng)度的纖維，就必須尋找具有高斷裂功的基體材料。在這方面，固態(tài)法制備方法更好一些，因鑄造合金一般具有較低的斷裂韌性。 2）界面的形成及機(jī)制，界面產(chǎn)物的控制及界面設(shè)計； 3）增強(qiáng)劑在基體中的均勻分布：在選擇制備方法時，應(yīng)選擇那些使得增強(qiáng)劑更均勻、均質(zhì)排布（分布）的方法。在這方面，液態(tài)法與固態(tài)法相比較差。4）制備工藝方法及參數(shù)的選擇和優(yōu)化；5）制備成本的控制和降低，工業(yè)化應(yīng)用的前景。 金屬基復(fù)

3、合材料制備工藝的分類：金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類： 1）固態(tài)法：真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、超塑性成型 / 擴(kuò)散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末冶金法。 2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。 3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。 4）原位生長法。 1 - 2、連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝 鋁合金 固態(tài)、液態(tài)法碳纖維 鎂合金 固態(tài)、液態(tài)法硼纖維 鈦合金 固態(tài)法SiC纖維 高溫合金 固態(tài)法氧化鋁纖維 金屬間化合物 固態(tài)法1 - 3、不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝 鋁合金 固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法 顆粒 鎂合金 液態(tài)法 晶須 鈦合金 固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法 短纖維 高

4、溫合金 原位生長法 金屬間化合物 粉末冶金、原位生長法2、 先驅(qū)（預(yù)制）絲（帶、板）的制備 2 - 1 纖維/（基體箔材）聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）(圖9-1)：纏繞鼓(基體箔材)纖維定向定間距纏繞涂敷聚合物粘結(jié)劑定位。 圖9-1 纖維 / 聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）2 - 2 等離子噴涂纖維 / 基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）：纖維定向定間距纏繞 等離子噴涂基體粉末定位（圖9-2）。 圖9-2 等離子噴涂纖維 / 基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）示意圖2 -3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲 圖 9-3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲原理圖 2 -3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲 采用磁控濺射等物理氣

5、相沉積（PVD）手段將基體金屬均勻沉積到纖維表面（圖9-3、4）上，形成纖維/基體復(fù)合絲。使用這種復(fù)合絲制備復(fù)合材料時，主要是基體與基體之間的擴(kuò)散結(jié)合，有利于材料界面的改善；同時通過控制基體沉積層的厚度可控制纖維的體積比。 圖 9-4 PVD法纖維表面金屬基體沉積層 2 - 4 粉末法纖維/基體復(fù)合絲 首先將金屬基體粉末與聚合物粘接劑混合制成基體粉末/聚合物粘接劑膠體，然后將纖維通過帶有一定孔徑毛細(xì)管的膠槽，在纖維表面均勻地涂敷上一層基體粉末膠體，干燥后形成一定直徑的纖維/基體粉末復(fù)合絲。復(fù)合絲的直徑取決于膠體的粘度、纖維走絲速度以及膠槽的毛細(xì)管孔徑等。由于在復(fù)合材料制備過程中需要預(yù)先徹底除去

6、復(fù)合絲中的聚合物粘接劑膠體，因此要求聚合物粘接劑具有在真空狀態(tài)的低溫下能夠完全揮發(fā)的特性。 圖9-5 粉末法纖維/基體復(fù)合絲示意圖 2 - 6 熔池法纖維 / 基體復(fù)合絲 圖 9-6 熔池法纖維 / 基體復(fù)合絲示意圖 這種復(fù)合絲制備方法主要是應(yīng)用于碳纖維或石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。由于碳纖維或石墨纖維與鋁液接觸會反應(yīng)生成Al4C3界面生成物。過量的脆性相Al4C3生成會嚴(yán)重影響復(fù)合材料的性能。如圖9-6所示，對纖維進(jìn)行Ti-B或（液態(tài)）金屬鈉表面涂層處理可以增加纖維與鋁液的潤濕性，防止過量的脆性相Al4C3生成。 3、固態(tài)法（連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝） 圖9-6 真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合工藝流

7、程示意圖 擴(kuò)散結(jié)合是制備連續(xù)纖維金屬基復(fù)合材料的傳統(tǒng)工藝。在一定溫度下的壓力下，把均勻排布在新鮮清潔表面的基體箔片或（復(fù)合）先驅(qū)絲通過基體金屬表面原子的相互擴(kuò)散而連接在一起（圖9-6）。擴(kuò)散結(jié)合在真空中進(jìn)行。其關(guān)鍵是熱壓工藝參數(shù)的控制，包括溫度、壓力和時間。其壓力應(yīng)有一定下限，防止壓力不足金屬不能充分?jǐn)U散包圍纖維而形成“眼角”空洞缺陷。 3 2 熱等靜壓（HIP） 圖9-8 熱等靜壓制備金屬基復(fù)合材料管材示意圖熱等靜壓工藝是擴(kuò)散結(jié)合的一種手段。采用熱等靜壓工藝時，所得制品組織細(xì)化、致密、均勻，一般不會產(chǎn)生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其它內(nèi)部缺陷得到明顯改善，從而提高復(fù)合材料的性能。 3 3 模

8、壓成型（Mold Forming） 圖 9-9 模壓成型制備金屬基復(fù)合材料示意圖 模壓成型也是擴(kuò)散結(jié)合的一種手段。將纖維/基體預(yù)制體放置在具有一定形狀的模具中進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合，最終得到一定形狀的最終制品。常用這種工藝制備各種型材（圖9-9）。 3-4 超塑性成型/ 擴(kuò)散結(jié)合 （SPF / DB） 超塑性超塑性：材料在低負(fù)載作用下，拉伸變形時不發(fā)生縮頸，也不發(fā)生斷裂，延伸率可達(dá) 100% 到 2000% 的現(xiàn)象。塑性流變和應(yīng)變速度的關(guān)系如下： = K (e ) m 式中 ：流變應(yīng)力；e：應(yīng)變速度；K：常數(shù)；m：應(yīng)變速度敏感指數(shù)，衡量超塑性的重要參數(shù)。 影響超塑性的因素：1) 形變速度：形變速度：10

9、 -4 10 -1 /分2) 溫度溫度： 0. 5T m ，達(dá)到相變臨界點以下的某一溫度可得到最大的m值和延伸率。 3) 晶粒度晶粒度： 穩(wěn)定、等軸、復(fù)相直徑為0.5 5 m的細(xì)晶粒。 3-4 超塑性成型/ 擴(kuò)散結(jié)合 （SPF / DB）圖 9-10 超塑性成型/ 擴(kuò)散結(jié)合法制備金屬基復(fù)合材料葉片示意圖 3-5 粉末（冶金）法（Slurry Powder Metallurgy） v 為了解決使用金屬箔材成本高以及難以獲得Ti-Al金屬間化合物箔材的問題，發(fā)展了粉末（冶金）（Slurry Powder Metallurgy）工藝。粉末（冶金）法首先將金屬基體粉末與聚合物粘接劑混合制成基體粉末/聚

10、合物粘接劑膠體，可將膠體軋制成基體粉末薄帶（箔）；也可將纖維按一定間距排好，用粉末膠體固定，干燥后制成粉末/纖維預(yù)制片；也可按粉末法纖維/基體復(fù)合絲的制備方法制成復(fù)合絲。然后使用真空擴(kuò)散結(jié)合工藝制成復(fù)合材料制品（圖9-11）。這種方法是一種低成本的工藝，其關(guān)鍵是聚合物粘接劑能夠完全揮發(fā)，否則聚合物殘留物將留在復(fù)合材料的界面，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的性能。因此選擇具在較低體積比的情況下有足夠粘度，而且在真空狀態(tài)的低溫下能夠完全揮發(fā)的聚合物粘接劑是至關(guān)重要的。 圖9-11 粉末（冶金）法制備金屬基復(fù)合材料示意圖3 - 6 固態(tài)法制備工藝方法及參數(shù)的選擇和優(yōu)化固態(tài)法工藝的主要參數(shù)： 圖 9-12 固態(tài)法制

11、備工藝的主要參數(shù)關(guān)系示意圖 1) 溫度、時間溫度、時間:D = D0 exp （- Q / RT） D：擴(kuò)散系數(shù)；Q：擴(kuò)散激活能。 X = k t 1/2 X：反應(yīng)層厚度； k：反應(yīng)速度常數(shù)。2) 壓力：壓力：促進(jìn)結(jié)合面的接觸及在一定溫度下的金屬基體的塑性流動。3) 結(jié)合面的清潔度： 4、 液態(tài)法（非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝4 - 1 壓鑄法（Squeeze Casting） 圖9-13 壓鑄法制備工藝示意圖 4 - 1 壓鑄法（Squeeze Casting）圖9-13 壓鑄法制備工藝示意圖 在壓力的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強(qiáng)材料預(yù)制體的空隙中，在壓力下

12、快速凝固成型。 主要工藝因素有熔融金屬的溫度、模具預(yù)熱溫度、壓力和加壓速度等。在采用增強(qiáng)劑預(yù)制體時，壓力不低于50MPa，速度一般為1 3cm/s。 P = MG / j P ：施加壓力； MG ：熔體/氣氛界面能； j ：熔體金屬前沿曲率半徑。4 - 2 半固態(tài)復(fù)合鑄造（Semisolid Slurry Casting） 將顆粒加入半固態(tài)的金屬熔體中，通過攪拌使顆粒在基體中分布均勻，并取得良好的界面結(jié)合，然后將半固態(tài)復(fù)合材料注入模具進(jìn)行壓鑄成型。半固態(tài)復(fù)合鑄造時金屬熔體的溫度控制在液相線和固相線之間，通過攪拌，使部分樹枝狀結(jié)晶體破碎成固態(tài)顆粒。這種固態(tài)顆粒是非晶結(jié)構(gòu)，防止半固態(tài)熔體的粘度增加

13、。當(dāng)加入預(yù)熱后的增強(qiáng)顆粒時，因熔體中含有一定量的金屬顆粒，在攪拌中增強(qiáng)顆粒受阻而滯留在半固態(tài)熔體中而不會結(jié)集和偏聚，同時攪拌可促進(jìn)顆粒與金屬基體的接觸、反應(yīng)和潤濕。此工藝控制的參數(shù)主要是：1）熔體的溫度應(yīng)使熔體達(dá)到3050 %的固態(tài)；2）攪拌速度應(yīng)不產(chǎn)生湍流，使枝晶破碎成固態(tài)顆粒，降低熔體的粘度以利于增強(qiáng)顆粒的加入。 圖9-15 半固態(tài)復(fù)合鑄造原理圖 4 -3 噴射成型法（Ospray，Spray Co-deposition）噴射沉積工藝是一種80年代逐漸成熟的將粉末冶金工藝中混合與凝固兩個過程相結(jié)合的新工藝。如圖9-16所示，該工藝過程是將基體金屬在坩堝中熔煉后，在壓力作用下通過噴嘴送入霧化

14、器，在高速惰性氣體射流的作用下，液態(tài)金屬被分散為細(xì)小的液滴，形成“霧化錐”；同時通過一個或多個噴嘴向“霧化錐”噴射入增強(qiáng)顆粒，使之與金屬霧化液滴一齊在一基板（收集器）上沉積并快速凝固形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。 圖 9-16 噴射成型法示意圖 4 -3 噴射成型法（Ospray，Spray Co-deposition）v 該工藝具有其獨特的優(yōu)點：v（1）高致密度，可達(dá)到理論的95-98% 。v（2）快速凝固，冷卻速度達(dá)103-106K / 秒，金屬晶粒和組織細(xì)化，成分均v勻，很少或沒有界面反應(yīng)；v（3）具有通用性和產(chǎn)品多樣性。v（4）工藝流程短，工序簡單，效率高，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。鋁基復(fù)合材料

15、單坯可達(dá)250公斤。 4 - 4 無壓浸滲法（Lanxide法）法） 美國Lanxide公司開發(fā)的一種新工藝。如圖9-17所示，將增強(qiáng)材料制成預(yù)制體，放置于由氧化鋁制成的容器中。再將基體金屬坯料置于增強(qiáng)材料預(yù)制體上部。然后一齊裝入可通入流動氮氣的加熱爐中。通過加熱，基體金屬熔化，并自發(fā)浸滲入網(wǎng)絡(luò)狀增強(qiáng)材料預(yù)制體中。 圖9-17 無壓浸滲法（Lanxide法）工藝原理示意圖 4 - 4 無壓浸滲法（Lanxide法）法）以制備Al2O3/Al復(fù)合材料為例，將增強(qiáng)劑預(yù)制體放入同樣形狀的陶瓷槽中，鋁合金坯料放在預(yù)制體上。在流動氮氣的氣氛下，加熱至800 1000C時，鋁合金熔化并自發(fā)滲入預(yù)制體內(nèi)，氮

16、氣與鋁反應(yīng)生成AlN?？刂频獨饬髁?、溫度和滲透速度，可控制AlN的生成量。AlN起到提高復(fù)合材料剛度、降低熱膨脹系數(shù)的作用，但強(qiáng)度較低。這是一個低成本的制備工藝。 5、 粉末冶金法（非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝）圖9-18 粉末冶金法制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備流程圖5、 粉末冶金法（非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料制備工藝）v粉末冶金法也是一種制備非連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料常采用的工藝。其優(yōu)點如下：v與液相法相比，制備溫度低，界面反應(yīng)可控；可根據(jù)要求設(shè)計復(fù)合材料的性能；利于增強(qiáng)相與金屬基體的均勻混合（對增強(qiáng)相與金屬基體的密度和潤濕性要求不高）。v其組織致密、細(xì)化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善

17、；利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。v但工藝流程較長，成本較高是這種工藝的缺點。 6、原位（In situ）生長（復(fù)合）法 v 增強(qiáng)相從基體中直接生成，生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性好，不存在基體與增強(qiáng)相之間的認(rèn)識潤濕和界面反應(yīng)等問題，基體與增強(qiáng)相結(jié)合良好，較好的解決了界面相容性問題。 6 1 共晶合金定向凝固 圖 9-19 二元共晶相圖及兩相平面穩(wěn)定生長圖 9-20 棒狀及層片狀 TaC-Ni 共晶定向凝固組織 共晶合金定向凝固要求合金成分為共晶或接近共晶成分，開始為二元合金，后發(fā)展為三元單變共晶，以及有包晶或偏晶反應(yīng)的兩相結(jié)合。定向凝固時，參與共晶反應(yīng)的 和相同時從液相中生成，其中一相以棒狀（纖

18、維狀）或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成（圖9-19）。 6 1 共晶合金定向凝固v 定向凝固共晶合金復(fù)合材料的原位生長必須滿足三個條件：v（1）有溫度梯度（GL）的加熱方式；v（2）滿足平面凝固條件；（GL/VI = mL（CE C0）/ DL （二元共晶合金的平面凝固條件）。v 式中：GL：液相溫度梯度；VI ：凝固速度；mL：液相線斜率；CE：共晶成分：C0：合金成分；DL ：溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。v（3）兩相的成核和生長要協(xié)調(diào)進(jìn)行。6 1 共晶合金定向凝固v定向凝固共晶合金復(fù)合材料的凝固組織前進(jìn)取決于共晶中含量較少的體積分?jǐn)?shù)。在二元共晶合金中當(dāng)I 32% 時呈纖維狀，當(dāng)I 32%時為層狀（圖9-2

19、0）。v在一定溫度梯度的條件下，纖維（層）狀間距 與凝固速度VI之間的關(guān)系為： 2 VI = K，其中K為常數(shù)。v在滿足平面凝固生長條件下，增加定向凝固的溫度梯度，可加快定向組織生長速度，同時也可降低纖維（層）狀間距，有利于提高定向凝固共晶合金復(fù)合材料的性能。 6 2 直接金屬氧化法（DIMOXTM） v 圖9-21 DIMOXTM法制備SiCF/ Al2O3/復(fù)合材料示意圖 6 2 直接金屬氧化法（DIMOXTM）v通過基體金屬的氧化或氮化來獲取復(fù)合材料。v例如使用DIMOXTM法制備Al2O3 / Al時，在遠(yuǎn)高于鋁熔點9001300C的溫度下，通入促進(jìn)氧化反應(yīng)的合金元素Si 和Mg，使熔

20、融鋁通過顯微通道滲透到氧化鋁層外部，并順序氧化；即鋁被氧化，但液態(tài)鋁的滲透通道未被堵塞?？筛鶕?jù)氧化程度控制Al2O3的量。如果過程是在幾乎所有金屬被 Al氧化之前停止的話，所制備的復(fù)合材料就是致密的、含有5 30% Al的、互連的Al2O3陶瓷基復(fù)合材料。v除直接氧化外，還可直接氮化獲得AlN / Al、ZrN / Al和TiN / Ti等金屬或陶瓷基復(fù)合材料。 vDIMOXTM工藝也可采用增強(qiáng)材料預(yù)成型體。增強(qiáng)材料預(yù)成型體是透氣的，金屬基體可通過滲透的氧或氮順序氧（氮）化形成基體，制備兩種增強(qiáng)相復(fù)合材料（如SiCF / Al2O3 / Al復(fù)合材料等）。 6 3 反應(yīng)生長法（XD TM） v

21、該工藝可生成顆粒、晶須或共同增強(qiáng)的金屬和金屬間化合物基復(fù)合材料。根據(jù)所選擇的原位生長的增強(qiáng)相的類別或形態(tài)，選擇基體和增強(qiáng)相生成所需的原材料，如一定粒度的金屬粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成預(yù)制體，并加熱到熔化或自蔓延燃燒（SHS）反應(yīng)發(fā)生的溫度時，預(yù)制體的組成元素進(jìn)行放熱反應(yīng)，以生成在基體中彌散的微觀增強(qiáng)顆粒、晶須和片晶等（圖9-22）。 圖9-22 反應(yīng)生長法（XD TM）工藝原理示意圖 6 3 反應(yīng)生長法（XD TM）v XD TM工藝有以下特點：v（1）增強(qiáng)相是原位生長，具有熱穩(wěn)定性；（2）增強(qiáng)相的類型、形態(tài)可選擇和設(shè)計；（3）各種金屬或金屬間化合物均可作為基體；（4）復(fù)合材料可采用傳

22、統(tǒng)金屬加工方法進(jìn)行二次加工。三、金屬基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計 v1、金屬基復(fù)合材料的界面 類 型 1類 型 2類 型 3纖維與基體互不反應(yīng)亦不溶解纖維與基體互不反應(yīng)但相互溶解纖維與基體反應(yīng)形成界面反應(yīng)層鎢絲 / 銅Al2O3 纖維 / 銅Al2O3 纖維 / 銀硼纖維（BN表面涂層） / 鋁不銹鋼絲 / 鋁SiC 纖維 / 鋁硼纖維 / 鋁硼纖維 / 鎂鍍鉻的鎢絲 / 銅碳纖維 / 鎳鎢絲 / 鎳合金共晶體絲 / 同一合金鎢絲 / 銅 鈦合金碳纖維 / 鋁（ 580 C）Al2O3 纖維 / 鈦硼纖維 / 鈦硼纖維 /鈦-鋁SiC 纖維 / 鈦SiO2 纖維 / 鈦三、金屬基復(fù)合材料的界面和

23、界面設(shè)計v第一類界面：基體與增強(qiáng)相既不相互反應(yīng)也不互溶。這類界面微觀是平整的，而且只有分子層厚度。界面除了原組成物質(zhì)外，基本不含其它物質(zhì)。v第二類界面：基體與增強(qiáng)相既不相互反應(yīng)，但經(jīng)過擴(kuò)散 滲透相互溶解而形成界面。這類界面往往在增強(qiáng)相周圍，如纖維周圍，形成環(huán)狀，界面呈犬牙交錯的溶解擴(kuò)散層。v第三類界面：界面處有微米和亞微米級的界面反應(yīng)物質(zhì)層。有時并不是一個完整的界面層，而是在界面上存在著界面反應(yīng)產(chǎn)物。 2、金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合 v在金屬基復(fù)合材料中，需要在增強(qiáng)相和基體界面上建立一定的結(jié)合力。在不同的界面結(jié)合受載時，如結(jié)合太弱，纖維大量拔出，強(qiáng)度低；結(jié)合太強(qiáng)，纖維受損，材料脆斷，既降低強(qiáng)度，

24、又降低塑性。只有界面結(jié)合適中的復(fù)合材料才呈現(xiàn)高強(qiáng)度和高塑性。金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合形式及界面穩(wěn)定性： v（1）機(jī)械結(jié)合：即基體與增強(qiáng)相既不相互反應(yīng)也不互溶的第一類界面。主要依靠增強(qiáng)劑的粗糙表面的機(jī)械“錨固”力和基體的收縮應(yīng)力來“包緊”增強(qiáng)劑所產(chǎn)生的摩擦力而結(jié)合。這種界面結(jié)合僅限于受載應(yīng)力平行于增強(qiáng)劑表面時才能承載。v（2）浸潤與溶解結(jié)合：基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生潤濕，相互溶解而形成界面結(jié)合的第二類界面。如相互溶解嚴(yán)重，也可能發(fā)生溶解后析出現(xiàn)象，如采用熔浸法制備鎢絲增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料以及碳纖維/鎳基復(fù)合材料在600C下碳在鎳中先溶解后析出的現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象嚴(yán)重?fù)p傷了增強(qiáng)劑，降低了復(fù)合材料的性

25、能。v（3）化學(xué)反應(yīng)結(jié)合：基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化合物層（界面層）的第三類界面。大多數(shù)金屬基復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)相之間在熱力學(xué)上是非平衡體系，也就是說在界面處存在著化學(xué)勢梯度。這意味著基體與增強(qiáng)相之間只要存在著有利的動力學(xué)條件，就可能發(fā)生相互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)。金屬基復(fù)合材料的界面化學(xué)反應(yīng)包括以下類型： v1）連續(xù)界面化學(xué)反應(yīng)：在制備過程的熱處理和復(fù)合材料熱使役過程，界面化學(xué)反應(yīng)可連續(xù)進(jìn)行。影響界面反應(yīng)的主要因素是溫度和時間。界面反應(yīng)物的量（或界面層厚度）隨溫度和時間的變化發(fā)生變化。如碳纖維/鋁基復(fù)合材料的界面層是因鋁原子擴(kuò)散進(jìn)碳原子，造成碳纖維表面的刻蝕，形成Al4C3。在400

26、C以下，Al4C3的量基本是穩(wěn)定的；高于400C時，反應(yīng)物量急劇增加。v2）交換式反應(yīng)：增強(qiáng)相與含兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生反應(yīng)后，反應(yīng)產(chǎn)物還會與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不穩(wěn)定。如硼纖維/Ti-8Al-1Mo-1V復(fù)合材料，首先是含鋁的鈦合金與硼反應(yīng)：vTi（Al）+ B （Ti、Al）B2 ；v該反應(yīng)產(chǎn)物可能與鈦繼續(xù)進(jìn)行交換反應(yīng)：v（Ti、Al）B2 + Ti TiB2 + Ti（Al）v這樣，界面反應(yīng)物中的鋁又會重新富集在基體合金一側(cè)，甚至形成Ti3Al金屬間化合物。金屬基復(fù)合材料的界面化學(xué)反應(yīng)包括以下類型：v3）暫穩(wěn)態(tài)界面的變化：一般是由于增強(qiáng)相表面局部氧化所造成的。如在

27、硼鋁復(fù)合材料中，硼纖維上吸附有氧，并生成不穩(wěn)定的BO2 。鋁與氧的親和力很強(qiáng)，在一定溫度下可還原BO2生成Al2O3。在長期熱效應(yīng)的作用下，界面上的B02會發(fā)生球化，影響復(fù)合材料的性能。v金屬基復(fù)合材料的化學(xué)反應(yīng)結(jié)合是其主要結(jié)合方式。以上反應(yīng)類型影響復(fù)合材料的界面穩(wěn)定性。嚴(yán)格控制界面反應(yīng)是一個重要的課題。v（4）混合結(jié)合：由于制備工藝、熱處理以及高溫使役過程的變化，造成第一類和第三類界面共存的混合結(jié)合界面。這反映了界面的不穩(wěn)定性。3、金屬基復(fù)合材料的界面殘余應(yīng)力 在金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)注意增強(qiáng)纖維與金屬基體的物理相容性，即要求金屬基體有足夠的韌性和強(qiáng)度，以便能更好地通過界面將載荷傳遞

28、給增強(qiáng)纖維；還要求在材料中出現(xiàn)裂紋和位錯運動時基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不在增強(qiáng)纖維上形成高應(yīng)力。物理相容性中最重要的是要求纖維和基體的熱膨脹系數(shù)匹配。如基體的韌性較強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)也較大，復(fù)合后容易產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，而纖維多為脆性材料，復(fù)合后容易產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。右圖為鋁基纖維復(fù)合材料（纖維體積比為50%）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，復(fù)合后纖維中出現(xiàn)殘余應(yīng)變fr。在I 區(qū)，載荷完全由基體承受；II區(qū)為暫態(tài)的瞬態(tài)區(qū)；超過II區(qū)后復(fù)合材料才發(fā)揮作用。圖9-233、金屬基復(fù)合材料的界面殘余應(yīng)力v當(dāng)纖維中殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時，應(yīng)注意纖維的屈曲；當(dāng)基體中中殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時，應(yīng)考慮界面和基體中的裂紋擴(kuò)展。v如果

29、情況相反，那么纖維和 圖9-23基體正好發(fā)揮各自所長。v因此，在選擇金屬基復(fù)合材料的組分材料時，為避免過高的殘余應(yīng)力，要求增強(qiáng)纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不要相差很大。 4、金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化以及界面設(shè)計v改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性以及控制界面反應(yīng)的速度和反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴(yán)重危害復(fù)合材料性能的界面或界面層的產(chǎn)生，進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合材料的界面設(shè)計，是金屬基復(fù)合材料界面研究的重要內(nèi)容。從界面優(yōu)化的觀點來看，增強(qiáng)劑與基體的在潤濕后又能發(fā)生適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)，達(dá)到化學(xué)結(jié)合，有利于增強(qiáng)界面結(jié)合，提高復(fù)合材料的性能。 金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化以及界面設(shè)計一般有以下幾種途徑：v4 1 增強(qiáng)劑的表面改性處理v增強(qiáng)材

30、料的表面改性（涂層）處理可起到以下作用：v（1）改善增強(qiáng)劑的力學(xué)性能，保護(hù)增強(qiáng)劑的外來物理和化學(xué)損傷（保護(hù)層）；v（2）改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性和粘著性（潤濕層）；v（3）防止增強(qiáng)劑與基體之間的擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)（阻擋層）；v（4）減緩增強(qiáng)劑與基體之間因彈性模量、熱膨脹系數(shù)等的不同以及熱應(yīng)力集中等因素所造成的物理相容性差的現(xiàn)象（過渡層、匹配層）；v（5）促進(jìn)增強(qiáng)劑與基體的（化學(xué)）結(jié)合（犧牲層）。v常用的增強(qiáng)材料的表面（涂層）處理方法有：PVD、CVD、電化學(xué)、溶膠-凝膠法等。vSiC纖維 富碳涂層、SCS涂層等；v硼纖維 SiC涂層、B4C等；v碳纖維 TiB2涂層、C/ SiC復(fù)合涂層等。 4 2 金屬基體改性（添加微量合金元素） v 在金屬基體中添加某些微量合金元素以改善增強(qiáng)劑與基體的潤濕性或有效控制界面反應(yīng)。v（1）控制界面反應(yīng)。選擇的改性合金元素應(yīng)使界面反應(yīng)速度常數(shù)盡可能小，以保持第三類界面 的穩(wěn)定。如在純鈦中加入合金元素Al、Mo、V、Zr等可顯著減小鈦合金與硼纖維的反應(yīng)速度常數(shù)。 v（2）增加基體合金的流動性，降低復(fù)合材料的制備溫度和時間。如采用液態(tài)浸滲法制備鋁基復(fù)