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《第六章金屬基復合材料的界面及其表征》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第6章金屬基復合材料的 界面及其優(yōu)化設計江蘇大學材料科學與工程學院10/18/202116.1界面的概念金屬基復合材料中增強體與金屬基體接觸構(gòu)成的界面，是一層具有一定厚度（納米以上）、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與性能直接影響金屬基復合材料的性能。10/18/20212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
2、高溫下進行。金屬基體與增強體在高溫復合時易發(fā)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(fā)生元素偏聚、擴散、固溶、相變等。這些均使金屬基復合材料界面區(qū)的結(jié)構(gòu)十分復雜。在金屬基復合材料界面區(qū)出現(xiàn)材料物理性質(zhì)（如彈性模量、熱膨脹系數(shù)、導熱率、熱力學參數(shù)）和化學性質(zhì)等的不連續(xù)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(jié)構(gòu)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。6.2界面的特征10/18/20213根據(jù)上面的三
3、種結(jié)合力，金屬基復合材料中的界面結(jié)合可以分為六種界面的結(jié)合力有三類化學結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)合力存在于所有復合材料中。6.2.1界面的結(jié)合機制10/18/20214機械結(jié)合基體與增強物之間純粹靠機械連接的一種結(jié)合形式，由粗糙的增強物表面及基體的收縮產(chǎn)生的摩擦力完
4、成溶解和潤濕結(jié)合基體與增強物之間發(fā)生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式反應結(jié)合基體與增強物之間發(fā)生化學反應，在界面上形成化合物而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式交換反應結(jié)合基體與增強物之間，除發(fā)生化學反應在界面上形成化合物外，還有通過擴散發(fā)生元素交換的一種結(jié)合形式氧化物結(jié)合這種結(jié)合實際上是反應結(jié)合的一種特殊情況混合結(jié)合這種結(jié)合是最重要、最普遍的結(jié)合形式之一，因為在實際的復合材料中經(jīng)常同時存在幾種結(jié)合形式10/18/202156.2.2界面分類及界面模型6.2.2.1界面分類上述幾種金屬基復合材料
5、界面（機械結(jié)合、溶解與潤濕結(jié)合、交換反應結(jié)合、氧化物結(jié)合和混合結(jié)合）可以分成I、Ⅱ、Ⅲ三種類型：I型界面表示增強體與基體金屬既不溶解也不反應（包括機械結(jié)合和氧化物結(jié)合）；Ⅱ型界面表示增強體與基體金屬之間可以溶解，但不反應（包括溶解與潤濕結(jié)合）；Ⅲ型界面表示增強體與基體之間發(fā)生反應并形成化合物（包括交換反應結(jié)合和混合結(jié)合）。見表6-1所示。10/18/20216表6-1中偽Ⅰ型（pseudo-classⅠsystem）界面的含義是：熱力學指出，該種體系的增強體與基體之間應該發(fā)生化學反應，但基體金屬的
6、氧化膜阻止反應的進行。反應能否進行，取決于氧化膜的完整程度，當氧化膜尚完整時，屬于Ⅰ型界面；當工藝過程中溫度過高或保溫時間過長而使基體氧化膜破壞時，組分之間將發(fā)生化學反應，變?yōu)棰笮徒缑?。具有偽I型界面特征的復合材料系在工藝上宜采用固態(tài)法（如熱壓、粉末冶金、擴散結(jié)合），而不宜采用液態(tài)浸滲法，以免變?yōu)棰笮徒缑娑鴵p傷增強體。表6-1金屬基復合材料體系的界面類型界面類型體系Ⅰ型C/Cu，W/Cu，Al2O3/Cu，Al2O3/Ag，B(BN)/Al，，B/Al①，SiC/Al①，不銹鋼/Al①Ⅱ型W/Cu
7、(Cr)，W/Nb，C/Ni②，V/Ni②，共晶體③Ⅲ型W/Cu(Ti)，C/Al(>100℃)，Al2O3/Ti，B/Ti，SiC/Ti，Al2O3/Ni，SiO2/Al，B/Ni，B/Fe，B/不銹鋼注：①表示偽Ⅰ型界面；②該體系在低溫下生成Ni4V；③當兩組元溶解度極低時劃為Ⅰ類。10/18/20217Petrasek和Weeton對W/Cu復合材料界面的研究結(jié)果表明，在基體銅中加入不同合金元素，會出現(xiàn)四種不同的界面情況Wf/Cu（Cr、Nb）系。合金元素（Cr、Nb）向W絲中擴散、溶解并合
8、金化，形成W（Cr、Nb）固溶體。此種情況對復合材料性能影響不大Wf/Cu（Co、Al、Ni）系。由于基體中的合金元素（Co、Al、Ni）向W絲中擴散導致其再結(jié)晶溫度下降，使W絲外表面晶粒因再結(jié)晶而粗大，結(jié)果導致W絲變脆。Wf/Cu系。在W絲周圍未發(fā)生W與Cu的相互溶解，也未發(fā)生相互間的化學反應。Wf/Cu（Ti、Zr）系。W與合金元素Ti與Zr均發(fā)生反應，并形成化合物。使復合材料的強度和塑性均下降。10/18/202186.2.2.2界面模型在早期的研究中，將復合材料界面抽象為：
