1、金属基复合材料界面问题,冶金工程 刘畅 14721920,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。,1界面的概念区域 不同于基体与增强体 化学成分、结构 有厚度(纳米级)、 结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相 称之为界面层或界面相。 化学反应的产物、扩散形成的扩散层。 界面的厚度尺寸较小、原子结构、电子状态、化学成分均不同于母体材料。 界面的存在使得材料具有特异的物理化学性能以及机械性能，它是增强体相和基体相连接的“纽带
2、”，也是应力等传递的桥梁。,2界面的作用四个方面：即传递效应、阻断效应、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。,3界面的类型,3.界面分类结合的原理 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,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、 （3）成核和生长 （4）界面化学反应,4.2界面反应的后果促进增强体与金属液的浸润 ：增强金属基体与增强体的界面结合.提高界面结合强度。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。,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,界面反应及其控制途径界
4、面反应规律、界面反应与制备工艺过程、参数的关系。界面反应对界面结构、界面性能增强体损伤的影响。控制界面反应的有效途径。,界面优化及控制界面反应的途径优化制备工艺方法和参数 金属基体合金化 纤维颗粒等增强体的表面涂层处理,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。表面涂覆工艺可解决，但是成本高
5、，工艺复杂。 利用反应控制工艺，不额外增加成本即可解决。,纤维预热温度、铝液温度对界面Al4C3反应程度的影响规律,TiB2/Al复合材料自润滑界面工艺控制对TiB2颗粒进行高温氧化处理产生B2O3;进而产生H3BO3颗粒进行600度氧化2h氧化处理，利用压力渗透法制备体积分数为45%的TiB2/Al的复合材料,利用基体合金化调控界面反应在液态基体中加入适当的合金元素,是改善基体熔体与增强体的浸润性、阻止有害的界面反应、形成稳定的界面结构的一种有效、经济的优化界面及控制界面反应的方法.0.4%的Ti、Zr可以明显减少碳和铝的界面反应, 如Cu.铝合金中的强化相CuAI,易在增强纤维之间形成连接
6、纤维的脆性相,引起脆性破坏.,Cf/Al复合材料界面有害反应控制添加不同含量的Mg元素，探讨了界面生成物的变化规律及对其复合材料力学性能的影响。无添加 3.2% 8.5%,Cf/Al-Mg复合材料弯曲强度,SiC/Al 复合材料的界面反应控制SiC颗粒表面有SiO2，两者都可以与基体发生反应生成铝的氧化物。为避免此现象可以从生产工艺解决，如压力浸渗，控制温度等； 此外，可以通过控制Si含量来解决。,结 语金属基复合材料的界面状况是复合材料力学性能和物理性能发挥的关键。初步研究表明，在某些材料体系中，采用工艺过程控制和基体合金化控制的方法可以从反应热力学和动力学的角度实现界面有害反应的抑制。转化以及固溶体界面的生成和功能性界面的产生区别于镀膜等工艺措施，这种技术路线已经被实践证明是简单可行有效的。关于界面反应的金属学问题和分子动力学问题的深入研究以及金属基复合材料界面设计基础理论和工艺技术将是未来复合材料发展的热点问题。,
