金屬基復(fù)合材料界面問(wèn)題.ppt

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1、金屬基復(fù)合材料界面問(wèn)題冶金工程劉暢14721920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。1．界面的概念區(qū)域不同于基體與增強(qiáng)體化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)有厚度(納米級(jí))、結(jié)構(gòu)隨基體和增強(qiáng)體而異、與基體有明顯差別的新相稱之為界面層或界面相?；瘜W(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物、擴(kuò)散形成的擴(kuò)散層。界面的厚度尺寸較小、原子結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)、化學(xué)成分均不同于母體材料。界面的存在使得材料具有特異的物理化學(xué)性能以及機(jī)械性能，它是增強(qiáng)體相和基體相連接

2、的“紐帶”，也是應(yīng)力等傳遞的橋梁。2．界面的作用四個(gè)方面：即傳遞效應(yīng)、阻斷效應(yīng)、散射與吸收效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)及不連續(xù)效應(yīng)。傳遞效應(yīng)：是指界面可以將外力通過(guò)基體傳遞給增強(qiáng)體，起連接基體與增強(qiáng)體的作用。阻斷效應(yīng)：是指界面具有阻斷裂紋擴(kuò)展、延緩應(yīng)力集中的作用。散射與吸收效應(yīng)：是指界面具有透光、隔熱、隔音、吸振、耐熱沖擊的性能。誘導(dǎo)效應(yīng)是指界面使周圍物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生出一系列特殊的性質(zhì)。不連續(xù)效應(yīng)是指界面的物理不連續(xù)性。3．界面的類型3.界面分類結(jié)合的原理機(jī)械結(jié)合化學(xué)結(jié)合相互作用既不反應(yīng)又不擴(kuò)散不反應(yīng)但溶解擴(kuò)散界面反應(yīng)4.界面反應(yīng)4.1界面過(guò)程（1）界面的吸附和偏

3、聚（2）擴(kuò)散和傳質(zhì)（3）成核和生長(zhǎng)（4）界面化學(xué)反應(yīng)4.2界面反應(yīng)的后果促進(jìn)增強(qiáng)體與金屬液的浸潤(rùn)：增強(qiáng)金屬基體與增強(qiáng)體的界面結(jié)合.提高界面結(jié)合強(qiáng)度。產(chǎn)生界面反應(yīng)產(chǎn)物一脆性相：界面反應(yīng)結(jié)果形成各種類型的化合物,如A14C3、AIB2、A12MgO4、MgO、Ti5Si3、TIC等。造成增強(qiáng)體損傷和改變基體成份：嚴(yán)重的界面反應(yīng)使高性能纖維損傷。界面反應(yīng)還可能改變基體的成份。主要的界面問(wèn)題：1.界面反應(yīng)及其控制途徑:2.界面微結(jié)構(gòu)及其表征:3.界面結(jié)構(gòu)特性對(duì)微觀、宏觀性能的影響:4.界面結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料組分的關(guān)系:5.界面穩(wěn)定性:6.界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化界面的有效途徑界

4、面反應(yīng)及其控制途徑界面反應(yīng)規(guī)律、界面反應(yīng)與制備工藝過(guò)程、參數(shù)的關(guān)系。界面反應(yīng)對(duì)界面結(jié)構(gòu)、界面性能增強(qiáng)體損傷的影響?？刂平缑娣磻?yīng)的有效途徑。界面優(yōu)化及控制界面反應(yīng)的途徑優(yōu)化制備工藝方法和參數(shù)金屬基體合金化纖維顆粒等增強(qiáng)體的表面涂層處理Cf/Al復(fù)合材料界面反應(yīng)工藝控制在現(xiàn)有的金屬基復(fù)合材料體系中，Cf/Al復(fù)合材料對(duì)界面是最為敏感的，甚至成為復(fù)合材料能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)障礙一般地,C與Al的復(fù)合界面在773K便可生成Al4C3三方面的危害：1.呈脆性，可降低界面在復(fù)雜應(yīng)力下傳遞載荷的作用;2.會(huì)導(dǎo)致碳纖維損傷，降低纖維的承載能力3.易于水解，潮濕環(huán)境下易腐蝕。表

5、面涂覆工藝可解決，但是成本高，工藝復(fù)雜。利用反應(yīng)控制工藝，不額外增加成本即可解決。纖維預(yù)熱溫度、鋁液溫度對(duì)界面Al4C3反應(yīng)程度的影響規(guī)律TiB2/Al復(fù)合材料自潤(rùn)滑界面工藝控制對(duì)TiB2顆粒進(jìn)行高溫氧化處理產(chǎn)生B2O3;進(jìn)而產(chǎn)生H3BO3顆粒進(jìn)行600度氧化2h氧化處理，利用壓力滲透法制備體積分?jǐn)?shù)為45%的TiB2/Al的復(fù)合材料利用基體合金化調(diào)控界面反應(yīng)在液態(tài)基體中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪?是改善基體熔體與增強(qiáng)體的浸潤(rùn)性、阻止有害的界面反應(yīng)、形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)的一種有效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化界面及控制界面反應(yīng)的方法.0.4%的Ti、Zr可以明顯減少碳和鋁的界面反應(yīng),如Cu.

6、鋁合金中的強(qiáng)化相CuAI,易在增強(qiáng)纖維之間形成連接纖維的脆性相,引起脆性破壞.Cf/Al復(fù)合材料界面有害反應(yīng)控制添加不同含量的Mg元素，探討了界面生成物的變化規(guī)律及對(duì)其復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。無(wú)添加3.2%8.5%Cf/Al-Mg復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度SiC/Al復(fù)合材料的界面反應(yīng)控制SiC顆粒表面有SiO2，兩者都可以與基體發(fā)生反應(yīng)生成鋁的氧化物。為避免此現(xiàn)象可以從生產(chǎn)工藝解決，如壓力浸滲，控制溫度等；此外，可以通過(guò)控制Si含量來(lái)解決。結(jié)語(yǔ)金屬基復(fù)合材料的界面狀況是復(fù)合材料力學(xué)性能和物理性能發(fā)揮的關(guān)鍵。初步研究表明，在某些材料體系中，采用工藝過(guò)程控制和基體合金化控制

7、的方法可以從反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度實(shí)現(xiàn)界面有害反應(yīng)的抑制。轉(zhuǎn)化以及固溶體界面的生成和功能性界面的產(chǎn)生區(qū)別于鍍膜等工藝措施，這種技術(shù)路線已經(jīng)被實(shí)踐證明是簡(jiǎn)單可行有效的。關(guān)于界面反應(yīng)的金屬學(xué)問(wèn)題和分子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的深入研究以及金屬基復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)將是未來(lái)復(fù)合材料發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題。