第六章金属基复合材料的界面及其表征.ppt

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1、08 十月 20231第6章 金属基复合材料的界面及其优化设计 08 十月 202326.1界面的概念 金属基复合材料中增强体与金属基体接触构成的界面，金属基复合材料中增强体与金属基体接触构成的界面，是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增强体是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增强体而异的、与基体有明显差别的新相而异的、与基体有明显差别的新相界面相（界面层）。界面相（界面层）。它是增强相和基体相连接的它是增强相和基体相连接的“纽带纽带”，也是应力及其他信，也是应力及其他信息传递的桥梁。界面是金属基复合材料极为重要的微结构，息传递的桥梁。界面是金属基复合材料极为重要的微结构，其结

2、构与性能直接影响金属基复合材料的性能。其结构与性能直接影响金属基复合材料的性能。08 十月 20233 金属基复合材料的基体一般是金属合金，此种复合材料的金属基复合材料的基体一般是金属合金，此种复合材料的制备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与制备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与增强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在增强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷却、凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、冷却、凝固、热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂。相变等。这些均使金属

3、基复合材料界面区的结构十分复杂。在金属基复合材料界面区出现材料物理性质（如弹性模量、在金属基复合材料界面区出现材料物理性质（如弹性模量、热膨胀系数、导热率、热力学参数）和化学性质等的不连续性，热膨胀系数、导热率、热力学参数）和化学性质等的不连续性，使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。因此，界面使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。因此，界面的结构和性能对金属基复合材料中应力和应变的分布，导热、的结构和性能对金属基复合材料中应力和应变的分布，导热、导电及热膨胀性能，载荷传递，断裂过程都起着决定性作用。导电及热膨胀性能，载荷传递，断裂过程都起着决定性作用。6.2界面的特征08 十月

4、20234 根据上面的三种结合力，金属基复合材料中的界面结合可根据上面的三种结合力，金属基复合材料中的界面结合可以分为六种以分为六种界面的界面的结合力结合力有三类有三类化学结合力就是化学键，它在金属基复合化学结合力就是化学键，它在金属基复合材料中有重要作用材料中有重要作用物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于物理结合力包括范德华力和氢键，它存在于所有复合材料中，在聚合物基复合材料中占所有复合材料中，在聚合物基复合材料中占有很重要的地位。有很重要的地位。机械结合力就是摩擦力，它决定于增强物的比表机械结合力就是摩擦力，它决定于增强物的比表面和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越面和粗糙度以及基体

5、的收缩，比表面和粗糙度越大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。存在于所有复合材料中。6.2.16.2.1界面的结合机制界面的结合机制08 十月 20235机械结合机械结合基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由基体与增强物之间纯粹靠机械连接的一种结合形式，由粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完成溶解和润湿结合溶解和润湿结合基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶基体与增强物之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶解而产生的一种结合形式解而产生的一种结合形式反应结合反

6、应结合基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物基体与增强物之间发生化学反应，在界面上形成化合物而产生的一种结合形式而产生的一种结合形式交换反应结合交换反应结合基体与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合基体与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合物外，还有通过扩散发生元素交换的一种结合形式物外，还有通过扩散发生元素交换的一种结合形式氧化物结合氧化物结合这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况混合结合混合结合这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实际的复合材料中经常同时存在几种结合形式际的

7、复合材料中经常同时存在几种结合形式08 十月 202366.2.26.2.2界面分类及界面模型界面分类及界面模型 6.2.2.1 6.2.2.1 界面分类界面分类 上述几种金属基复合材料界面（机械结合、溶解上述几种金属基复合材料界面（机械结合、溶解与润湿结合、交换反应结合、氧化物结合和混合结合）可与润湿结合、交换反应结合、氧化物结合和混合结合）可以分成以分成I I、三种类型：三种类型：I I型界面表示增强体与基体金型界面表示增强体与基体金属既不溶解也不反应（包括机械结合和氧化物结合）；属既不溶解也不反应（包括机械结合和氧化物结合）；型界面表示增强体与基体金属之间可以溶解，但不反应型界面表示增强

8、体与基体金属之间可以溶解，但不反应（包括溶解与润湿结合）；（包括溶解与润湿结合）；型界面表示增强体与基体之型界面表示增强体与基体之间发生反应并形成化合物（包括交换反应结合和混合结合）间发生反应并形成化合物（包括交换反应结合和混合结合）。见表。见表6-16-1所示。所示。08 十月 20237 表表6-16-1中伪中伪型（型（pseudo-pseudo-classsystemclasssystem）界面的含）界面的含义是：热力学指出，该种体系的增强体与基体之间应该发义是：热力学指出，该种体系的增强体与基体之间应该发生化学反应，但基体金属的氧化膜阻止反应的进行。反应生化学反应，但基体金属的氧化膜阻

9、止反应的进行。反应能否进行，取决于氧化膜的完整程度，当氧化膜尚完整时，能否进行，取决于氧化膜的完整程度，当氧化膜尚完整时，属于属于型界面；当工艺过程中温度过高或保温时间过长而型界面；当工艺过程中温度过高或保温时间过长而使基体氧化膜破坏时，组分之间将发生化学反应，变为使基体氧化膜破坏时，组分之间将发生化学反应，变为型界面。具有伪型界面。具有伪I I型界面特征的复合材料系在工艺上宜采型界面特征的复合材料系在工艺上宜采用固态法（如热压、粉末冶金、扩散结合），而不宜采用用固态法（如热压、粉末冶金、扩散结合），而不宜采用液态浸渗法，以免变为液态浸渗法，以免变为型界面而损伤增强体。型界面而损伤增强体。表6

10、-1金属基复合材料体系的界面类型界面类型界面类型体体 系系型型C/CuC/Cu，W/CuW/Cu，AlAl2 2O O3 3/Cu/Cu，AlAl2 2O O3 3/Ag/Ag，B(BN)/AlB(BN)/Al，B/AlB/Al，SiCSiC/Al/Al，不锈钢，不锈钢/Al/Al型型W/Cu(W/Cu(CrCr)，W/W/NbNb，C/NiC/Ni，V/NiV/Ni，共晶体，共晶体型型W/Cu(W/Cu(TiTi)，C/Al(100)C/Al(100)，AlAl2 2O O3 3/Ti/Ti，B/TiB/Ti，SiCSiC/Ti/Ti，AlAl2 2O O3 3/Ni/Ni，SiOSiO2

11、2/Al/Al，B/NiB/Ni，B/FeB/Fe，B/B/不锈钢不锈钢注：注：表示伪表示伪型界面；型界面；该体系在低温下生成该体系在低温下生成Ni4V；当两组元溶解度极低时划为当两组元溶解度极低时划为类。类。08 十月 20238 PetrasekPetrasek和和WeetonWeeton对对W/CuW/Cu复复合材料界面的研合材料界面的研究结果表明，在究结果表明，在基体铜中加入不基体铜中加入不同合金元素，会同合金元素，会出现四种不同的出现四种不同的界面情况界面情况 WfWf/Cu/Cu（CrCr、NbNb）系。合金元素（）系。合金元素（CrCr、NbNb）向向W W丝中扩散、溶解并合金化

12、，形成丝中扩散、溶解并合金化，形成W W（CrCr、NbNb）固溶体。此种情况对复合材料性能）固溶体。此种情况对复合材料性能影响不大影响不大WfWf/Cu/Cu（CoCo、AlAl、NiNi）系。由于基体中的合）系。由于基体中的合金元素（金元素（CoCo、AlAl、NiNi）向）向W W丝中扩散导致其丝中扩散导致其再结晶温度下降，使再结晶温度下降，使W W丝外表面晶粒因再结丝外表面晶粒因再结晶而粗大，结果导致晶而粗大，结果导致W W丝变脆。丝变脆。WfWf/Cu/Cu系。在系。在W W丝周围未发生丝周围未发生W W与与CuCu的相的相互溶解，也未发生相互间的化学反应。互溶解，也未发生相互间的化

13、学反应。WfWf/Cu/Cu（TiTi、ZrZr）系。）系。W W与合金元素与合金元素T Ti i与与ZrZr均发生反应，并形成化合物。使复合均发生反应，并形成化合物。使复合材料的强度和塑性均下降。材料的强度和塑性均下降。08 十月 202396.2.2.26.2.2.26.2.2.26.2.2.2 界面模型界面模型界面模型界面模型 在早期的研究中，将复合材料界面抽象为：界面处在早期的研究中，将复合材料界面抽象为：界面处无反应、无溶解，界面厚度为零，复合材料性能与界面无无反应、无溶解，界面厚度为零，复合材料性能与界面无关；稍后，则假设界面强度大于基体强度，这是所谓的强关；稍后，则假设界面强度大

14、于基体强度，这是所谓的强界面理论。强界面理论认为：基体最弱，基体产生的塑性界面理论。强界面理论认为：基体最弱，基体产生的塑性变形将使纤维至纤维的载荷传递得以实现。复合材料的强变形将使纤维至纤维的载荷传递得以实现。复合材料的强度受增强体强度的控制。预测复合材料力学性能的混合物度受增强体强度的控制。预测复合材料力学性能的混合物定律是根据强界面理论导出的。由上述可见，对于不同类定律是根据强界面理论导出的。由上述可见，对于不同类型的界面，应当有与之相应的不同模型。型的界面，应当有与之相应的不同模型。08 十月 202310 （1 1）I I型复合材料的界型复合材料的界面模型面模型 CooperCoop

15、er和和KellyKelly（19681968）提出，）提出，I I型界型界面模型是界面存在机械互锁，面模型是界面存在机械互锁，且界面性能与增强体和基体且界面性能与增强体和基体均不相同；复合材料性能受均不相同；复合材料性能受界面性能的影响，影响程度界面性能的影响，影响程度取决于界面性能与基体、纤取决于界面性能与基体、纤维性能差异程度的大小；维性能差异程度的大小；I I型界面模型包括机械结合和型界面模型包括机械结合和氧化物结合两种界面类型。氧化物结合两种界面类型。图图6-1 型界面控制型界面控制08 十月 202311 （2 2）、型复合材料的界面理论模型型复合材料的界面理论模型 、型界面模型认

16、为复合材料的界面具有既不同于基型界面模型认为复合材料的界面具有既不同于基体也不同于增强体的性能，它是有一定厚度的界面带，界面体也不同于增强体的性能，它是有一定厚度的界面带，界面带可能是由于元素扩散、溶解造成，也可能是由于反应造成。带可能是由于元素扩散、溶解造成，也可能是由于反应造成。、型界面控制复合材料的型界面控制复合材料的1010类性能，即基体拉伸强类性能，即基体拉伸强度；复合材料性能的因素度；复合材料性能的因素(m m)；纤维拉伸强度；纤维拉伸强度(f f)；反应物；反应物拉伸强度拉伸强度(r r)；基体；基体/反应物界面拉伸强度反应物界面拉伸强度(mimi)；纤维；纤维/反反应物界面拉伸

17、强度应物界面拉伸强度(fifi)；基体剪切强度；基体剪切强度(m m)；纤维剪切强；纤维剪切强度度(fifi)；反应物剪切强度；反应物剪切强度(r r)；基体；基体/反应物界面剪切强度反应物界面剪切强度(mimi)和纤维和纤维/反应界面剪切强度反应界面剪切强度(fifi)，见图，见图6-26-2所示。所示。08 十月 202312 由上述研究结果可见，在由上述研究结果可见，在、型界面的复合材料中，型界面的复合材料中，反应物裂纹是否对复合材料性能发生影响，取决于反应物的反应物裂纹是否对复合材料性能发生影响，取决于反应物的厚度。影响反应物临界厚度的因素如下。厚度。影响反应物临界厚度的因素如下。基体

18、的弹性极限。基体的弹性极限。纤维的塑性。纤维的塑性。图图图图6 62 2、型界面控制复合材料性能的各项强度所对应的应力方向型界面控制复合材料性能的各项强度所对应的应力方向型界面控制复合材料性能的各项强度所对应的应力方向型界面控制复合材料性能的各项强度所对应的应力方向 08 十月 202313图图图图6-36-3当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端当纤维具有一定程度塑性时，反应物裂纹尖端产生的应力集中使纤维发生塑性变形产生的应力集中使纤维发生塑性变形产生的应力集中使纤维发生塑性变形产生的应力集中使纤维发生塑性变形

19、 图图图图6-4 6-4 当纤维是脆性时，反应物裂纹当纤维是脆性时，反应物裂纹当纤维是脆性时，反应物裂纹当纤维是脆性时，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂产生的应力集中使纤维断裂产生的应力集中使纤维断裂产生的应力集中使纤维断裂 例如不锈钢丝增强铝复合材料系中，由于纤维是韧性的，反应物裂纹尖端产生的应力集中使纤维发生塑性变形（产生了滑移带），见图6-3所示。又例如，碳纤维增强铝复合材料系中，纤维是脆性的，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂，见图6-4所示。可见后者的界面反应物临界厚度小于前者。08 十月 2023146.2.36.2.3界面的物理化学特性界面的物理化学特性6.2.3.1 6.2.

20、3.1 润湿现象润湿现象 不同的液滴放到不同的固体不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展开表面上，有时液滴会立即铺展开来覆盖固体的表面，这一现象称来覆盖固体的表面，这一现象称为润湿现象或浸润；有时液体仍为润湿现象或浸润；有时液体仍然团聚成球状不铺开，这一现象然团聚成球状不铺开，这一现象称为润湿不好或不浸润。液态基称为润湿不好或不浸润。液态基体在制造条件下能润湿固态增强体在制造条件下能润湿固态增强物是制造性能良好的金属基复合物是制造性能良好的金属基复合材料的必要条件。在固体表面上材料的必要条件。在固体表面上液滴保持力学平衡时杨氏方程式液滴保持力学平衡时杨氏方程式成立（见图成立（见图6

21、-56-5）。）。图图6-5液体对固体表面的浸润情况液体对固体表面的浸润情况 08 十月 202315式中：式中：SVSV、SLSL、LVLV分别为液汽、固汽、表面张力和固液分别为液汽、固汽、表面张力和固液界面张力；界面张力；液体对固体的浸润角或接触角。液体对固体的浸润角或接触角。若若SVSV SLSL,则则coscos9090,液体不能润湿固体。当液体不能润湿固体。当180180时，固体表面完全涌被液体润湿，液体呈球状。时，固体表面完全涌被液体润湿，液体呈球状。若若LVLV SVSV-SLSL，则，则11coscos0,0,LVLV，则液体在固体表面完全浸润时仍未达到平衡，则液体在固体表面完

22、全浸润时仍未达到平衡而铺展开来。而铺展开来。SV-SL=LVcos cos （6-3）(6-4)08 十月 202316 液体对固体吸引力的大小用液体对固体的粘着功液体对固体吸引力的大小用液体对固体的粘着功WaWa来来表示，粘着功是指将一平方厘米的固一液界面拉开所需要表示，粘着功是指将一平方厘米的固一液界面拉开所需要作的功，液体对固体的吸引力越大时，粘着功也越大。粘作的功，液体对固体的吸引力越大时，粘着功也越大。粘着功可表示为：着功可表示为：Wa=LV+SV -SL (6-5)Wa=LV+LVcos=LV(1+cos)(6-6)液体自身的吸引力大小用液体的内聚能Wc来衡量，内聚能是指将一平方厘

23、米截面的液体拉开时所需作的功。内聚能与界面张力之间的关系式为:Wc2LV (6-7)或08 十月 202317 对于金属基复合材料可以来取下列措施来改善金属基对于金属基复合材料可以来取下列措施来改善金属基体对增强物的润湿性。体对增强物的润湿性。1 1）改变增强物的表面状态和结构以增大）改变增强物的表面状态和结构以增大SVSV；2)2)改变金属基体的化学成分以降低改变金属基体的化学成分以降低SLSL；3)3)改变温度；改变温度；4)4)改变环境气氛；改变环境气氛；5 5）提高液相压力；）提高液相压力；6)6)某些物理方法。某些物理方法。只有当粘着功Wa大于内聚能Wc时，液体才能对固体浸润。Wa与

24、Wc之差定义为液体在固体表面的铺开系数S，S为正值时，即S0时，发生浸润现象。SWa-Wc=(SV-SL)-LV (6-8)08 十月 2023181.1.铝碳系铝碳系2.2.铝硼系铝硼系3.3.铝碳化硅系铝碳化硅系 4.4.铝氧化铝系铝氧化铝系5.5.铝铁系铝铁系1.1.钛硼系钛硼系2.2.钛碳化硅系钛碳化硅系3.3.钛碳系钛碳系Click to add TextClick to add TextClick to add Text6.2.3.26.2.3.2基体与增强物之间的化学相容性基体与增强物之间的化学相容性1、热力学相容性 决定热力学相容性的关键因素是温度，热力学相容性温度比较直观的可

25、由相图得到。但比较实用的相图很少，所以具体的复合材料体系中的相容性问题往往只能通过实验得到解决。下面以几种常用的金属基复合材料为例说明。（1 1）铝及铝合）铝及铝合金复合材料金复合材料（2 2）钛及钛合）钛及钛合金基复合材料金基复合材料(3)(3)镍和镍合镍和镍合金基复合材料金基复合材料(4)(4)镁和镁合镁和镁合金基复合材料金基复合材料1.1.镍钨系镍钨系2.2.镍钼系镍钼系3.3.镍碳化硅系镍碳化硅系4.4.镍氮化钛系镍氮化钛系5.5.镍金属碳化镍金属碳化物系物系6.6.镍碳系镍碳系1.1.镁碳系镁碳系 2.2.镁硼系镁硼系08 十月 202319 复合材料在热暴露过程中拉伸强度与时间关系

26、的曲复合材料在热暴露过程中拉伸强度与时间关系的曲线类型如图线类型如图6-66-6所示。若干金属基复合材料体系的相容所示。若干金属基复合材料体系的相容性情况归纳在表性情况归纳在表6-26-2中。中。图图6-6复合材料强度与热暴露时间的关系复合材料强度与热暴露时间的关系08 十月 202320表表6-2金属基复合材料体系的相容性金属基复合材料体系的相容性纤纤纤纤 维维维维基体（图层）基体（图层）基体（图层）基体（图层）热暴露时间热暴露时间热暴露时间热暴露时间h h热暴露温度热暴露温度热暴露温度热暴露温度曲线类型曲线类型曲线类型曲线类型（图（图（图（图6-26-2）作用类型作用类型 C CC-HTC

27、-HTC-HMC-HM C C C C C C C-C-C C C-C-C C C C C C C C SiCSiC SiCSiCB/B/SiCSiCB/B/SiCSiC B B B B B B B BB B B BAlAl2 2OO3 3AlAl2 2OO3 3AlAl2 2OO3 3AlAl2 2OO3 3AlAl2 2OO3 3AlAl2 2OO3 3AlAl2 2OO3 3 MMOO W WAlAlAlAlAlAlNiNiNiNiNiNiNiNiNiNiNiNiNiNi Ni-Cr Ni-CrCoCoCuCuAlAl Al-3%Mg Al-3%MgTiTi Ti-6Al-4V Ti-6

28、Al-4V Al-3%Mg Al-3%MgAl-3%MgAl-3%Mg Al-6061 Al-6061 Ti TiTi-6Al-4VTi-6Al-4V Ni Ni Ni Ni80 Ni-20Cr80 Ni-20CrNi-Cr-FeNi-Cr-Fe TiCTiC HfCHfC W WW W NiNiNiNi2424100100100100 1 1 5 5 1 10 10 1 1 0.1 0.110001000100100 0 0 2 2120012000.150.1515001500 4.3 4.3 24 24 1 11116000 01616100100112701270 500 500 70

29、0 700 800 800 700 700 580 580 870 870 350 350 400 400 500 500 540 540 580 580 230 230 370 370 540 540 505 505 630 630 870 870 540 540 760 760 400 400 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1420 1420 1320 132013201320 1000 1000 1100 1100 1100 1100 A A A A A A A A A A A A A A A A A A B B B B B B B B B B B B B

30、B B B B B B B 08 十月 2023212 2、动力学相容性及界面反应的控制、动力学相容性及界面反应的控制 由于绝大多数有前景的复合材料体系在热力学上不相容，由于绝大多数有前景的复合材料体系在热力学上不相容，人们致力于减慢基体与增强物之间相互作用速度的研究，达到人们致力于减慢基体与增强物之间相互作用速度的研究，达到动力学相容性，得到有实际应用价值的金属基复合材料。复合动力学相容性，得到有实际应用价值的金属基复合材料。复合材料各组分之间发生相互作用可能有两种情况材料各组分之间发生相互作用可能有两种情况（1 1）基体与增强物之间不生成化合物，只生成固溶体）基体与增强物之间不生成化合物，

31、只生成固溶体（2 2）基体和增强物之间生成化合物）基体和增强物之间生成化合物 08 十月 202322图图6-7Ti-B复合材料的反应动力学曲线复合材料的反应动力学曲线08 十月 202323 6.2.3.3 6.2.3.3 6.2.3.3 6.2.3.3 典型金属基复合材料体系的动力学特点典型金属基复合材料体系的动力学特点典型金属基复合材料体系的动力学特点典型金属基复合材料体系的动力学特点 设置动力学障碍包括两个方面：提高反应扩散的激活能，设置动力学障碍包括两个方面：提高反应扩散的激活能，降低扩散系数降低扩散系数(反应速度常数反应速度常数)。1 1、铝碳系、铝碳系 前面已经指出，根据碳纤维的

32、结构及基体的成分，两者发前面已经指出，根据碳纤维的结构及基体的成分，两者发生明显作用的温度为生明显作用的温度为400400500500。纤维的石墨化程度高，作用。纤维的石墨化程度高，作用温度也高，未经石墨化处理的纤维则在较低温度下开始与基体温度也高，未经石墨化处理的纤维则在较低温度下开始与基体发生明显作用。图发生明显作用。图6-86-8是纤维种类、温度与生成的反应产物是纤维种类、温度与生成的反应产物A1A14 4C C3 3量之间的关系。量之间的关系。08 十月 202324T()(b)T()(a)图图6-8 复合丝中复合丝中Al4C3的量与温度的半径（的量与温度的半径（a）；复合丝拉伸强度和

33、温度的关系（）；复合丝拉伸强度和温度的关系（b）表表6-3若干体系中计算得到的化合物层的临界厚度若干体系中计算得到的化合物层的临界厚度纤维纤维/化合物层化合物层（沉积）（沉积）纤维纤维化合物层（沉积）化合物层（沉积）i iE Ef fGPaGPaufufGPaGPaE E1 1GPaGPaGPaGPaB/B/SiCSiC3803803.53.54704702.32.33 34 45 56 63.623.621.901.901.041.040.510.51B/BB/B4 4C C3803803.53.54704702.32.33 34 45 56 63.623.621.901.901.041.0

34、40.510.51B/BNB/BN3803803.53.590901.41.43 34 45 56 670.670.6101.13101.13111.97111.97196.0196.0B/TiBB/TiB2 23803803.53.55105101.01.03 34 45 56 60.240.240.050.050.0110.0110.0020.002B/AlBB/AlB2 23803803.53.54304300.70.73 34 45 56 60.1450.1450.0300.0300.0050.0050.0080.008 表表6-3若干体系中计算得到的化合物层的临界厚度若干体系中计算得

35、到的化合物层的临界厚度08 十月 202325 在碳纤维上涂覆金属，特别是能与碳容易生成碳化物在碳纤维上涂覆金属，特别是能与碳容易生成碳化物的金属，能起一定的扩散阻挡层作用，例如的金属，能起一定的扩散阻挡层作用，例如TiTi、NbNb、TaTa、HfHf、ZrZr等。这些金属的密度都很大，并且为了比较有效地等。这些金属的密度都很大，并且为了比较有效地起动力学阻碍作用，涂层必须有一定的厚度，这最终将增起动力学阻碍作用，涂层必须有一定的厚度，这最终将增加复合材料的密度。加复合材料的密度。T()(a)T()(b)图图6-8 复合丝中复合丝中Al4C3的量与温度的半径（的量与温度的半径（a）；复合丝拉

36、伸强度和温度的关系（）；复合丝拉伸强度和温度的关系（b）08 十月 202326 图图6-96-9中绘出了各种涂层的效果，这些化合物涂层虽中绘出了各种涂层的效果，这些化合物涂层虽然能对碳纤维起保护作用，但不能被液态铝润湿。为了然能对碳纤维起保护作用，但不能被液态铝润湿。为了改善润湿性能，必须对涂覆化合物层后的碳纤维进行二改善润湿性能，必须对涂覆化合物层后的碳纤维进行二次涂覆处理。例如在次涂覆处理。例如在SiCSiC层外面再涂金属层外面再涂金属CrCr层，可以得到层，可以得到很好的效果。很好的效果。08 十月 202327图图图图6-96-9碳纤维上的不同涂层寻碳纤维及碳纤维上的不同涂层寻碳纤维

37、及碳纤维上的不同涂层寻碳纤维及碳纤维上的不同涂层寻碳纤维及C/AlC/Al复合材料性能的影响复合材料性能的影响复合材料性能的影响复合材料性能的影响08 十月 202328 CeCe和和ZrZr的加入可以提高复合材料力学性能的高温强度保持率，间接地说明了这两种的加入可以提高复合材料力学性能的高温强度保持率，间接地说明了这两种元素都在一定的程度上能够减慢界面反应。元素都在一定的程度上能够减慢界面反应。a.a.复合材料中复合材料中AlAl4 4C C3 3的含量，的含量，1 1纤维原涂层，纤维原涂层，2 2纤维涂纤维涂CrCr，3 3纤维涂纤维涂 SiCSiC，4 4纤维涂纤维涂SiC+CrSiC+

38、Cr；b.c.C/Alb.c.C/Al复合材料的拉伸强度剪切强度，复合材料的拉伸强度剪切强度，1 1纤维原涂层，纤维原涂层，2 2纤维涂纤维涂CrCr，3 3纤纤 维涂维涂SiCSiC，4 4纤维涂纤维涂SiC+CrSiC+Cr；d.d.各种涂层对碳纤维性能的影响各种涂层对碳纤维性能的影响 温度（温度（）（a）温度温度温度温度()(a)(a)图图图图6-106-10合金元素钛对碳合金元素钛对碳合金元素钛对碳合金元素钛对碳/铝复合材料性能的影响，铝复合材料性能的影响，铝复合材料性能的影响，铝复合材料性能的影响，a-T300a-T300碳纤维；碳纤维；碳纤维；碳纤维；b-M40b-M40石墨纤维石

39、墨纤维石墨纤维石墨纤维 08 十月 2023292 2、铝硼系、铝硼系 如前所述，铝与硼在热力学不相容，根据基体的成分不如前所述，铝与硼在热力学不相容，根据基体的成分不同，反应产物或为同，反应产物或为A1B2A1B2或为或为A1B12A1B12。但铝硼复合材料是最。但铝硼复合材料是最早研究成功和正式使用的金属基复合材料。减慢铝硼的反早研究成功和正式使用的金属基复合材料。减慢铝硼的反应速度、减少硼化物生成量的有力措施，是在硼纤维上涂覆应速度、减少硼化物生成量的有力措施，是在硼纤维上涂覆扩散阻挡层。扩散阻挡层。SiCSiC、B B4 4C C和和BNBN是三种有效的化合物涂层，它们是三种有效的化合

40、物涂层，它们可用化学气相沉积法得到。硼纤维与碳纤维不同，它是直径可用化学气相沉积法得到。硼纤维与碳纤维不同，它是直径较祖的、较祖的、9595150m150m的单丝，对这种纤维进行表面涂覆处理的单丝，对这种纤维进行表面涂覆处理比碳纤维容易得多。比碳纤维容易得多。表表6-46-4中给出了合金元系对反应速度的影响。从表中可中给出了合金元系对反应速度的影响。从表中可见，见，HfHf是最有效的。向基体中添加合金元素来减慢反应速度是最有效的。向基体中添加合金元素来减慢反应速度的方法在实际中并未得到应用。的方法在实际中并未得到应用。08 十月 202330 3 3、钛硼系、钛硼系 TiTiB B系是到目前为

41、止在理论上研究得比较早和比较系系是到目前为止在理论上研究得比较早和比较系统的金属基复合材料体系之一。钛与硼在热力学上不相容，生成统的金属基复合材料体系之一。钛与硼在热力学上不相容，生成TiBTiB2 2和和TiBTiB两种化合物，以两种化合物，以TiBTiB2 2为主。为主。TiTiB B是典型的具有第是典型的具有第类类界面的复合材料。随着温度的升高和时间的延长反应产物的量不界面的复合材料。随着温度的升高和时间的延长反应产物的量不断增加。断增加。表表表表6-46-4合金元素对铝硼系中反应速度的影响合金元素对铝硼系中反应速度的影响合金元素对铝硼系中反应速度的影响合金元素对铝硼系中反应速度的影响温

42、温温温 度度度度 热暴露时间热暴露时间热暴露时间热暴露时间 minmin 反反反反 应应应应 层层层层 的的的的 相相相相 对对对对 厚厚厚厚 度度度度 AlAl Al-TiAl-TiAl-Al-ZrZr Al-Al-HfHf7507507507508008008008008508508508504545909045459090454590901 11 11 11 11 11 10.920.920.930.930.850.850.810.810.790.790.790.790.790.790.790.790.740.740.720.720.580.580.570.57 0.710.71 0.7

43、1 0.71 0.67 0.67 0.63 0.63 0.50 0.50 0.50 0.50*铝硼复合材料经热暴露处理的结果。铝硼复合材料经热暴露处理的结果。铝硼复合材料经热暴露处理的结果。铝硼复合材料经热暴露处理的结果。08 十月 202331 如果如果SESE为负值，则说明添加该元素可以减慢反映速度。为负值，则说明添加该元素可以减慢反映速度。表表6-56-5中列出了纯钛和二元钛合金与硼的反应速度常数中列出了纯钛和二元钛合金与硼的反应速度常数K K及及比速度常数比速度常数SE.SE.合金元素对反应速度的影响可用比速度常数SE来衡量（6-17）08 十月 202332表表6-5760时若干金属

44、和二元钛合金与硼的时若干金属和二元钛合金与硼的K及及SE基基 体体K,10K,10-7-7cm.scm.s-1/2-1/2 S SE E,10,10-7-7cm.scm.s-1/2-1/2 重重 量量 原原 子子 TiTi Ti-Ti-0.5Si0.5Si Ti-Ti-20SiC20SiC Ti-2Ge Ti-2Ge Ti-Ti-10Cu10Cu Ti-Ti-10Al10Al Ti-Ti-30Mo30Mo Ti-17V Ti-17V Ti-22V Ti-22V Ti-30V Ti-30V Ti-70V Ti-70V V V 5.25.2 5.2 5.2 5.3 5.3 5.1 5.1 4.7

45、4.7 3.8 3.8 1.8 1.8 2.0 2.0 1.3 1.3 0.6 0.6 0.9 0.9 2.5 2.5 0 0 0 0 0.050.05 0.050.05 0.140.14 0.100.10 0.190.19 0.180.18 0.150.15 0 0 0 0 0.060.06 0.060.06 0.080.08 0.190.19 0.200.20 08 十月 202333图图6-11合金元素对合金元素对Ti-B系反应速度常数的影响系反应速度常数的影响08 十月 202334 4 4、铝碳化硅系、铝碳化硅系 相对而言，由于反应相对而言，由于反应3SiC3SiC4Al Al4Al

46、 Al4 4C C3 33Si3Si的标准自由能变的标准自由能变化是个不大的负值（化是个不大的负值（-15KJ-15KJmolmol），因此），因此AlAlSiCSiC系是比较稳定系是比较稳定的，的，620620时实际上两者不作用。时实际上两者不作用。SiCSiC纤维增强铝基复合材料的纤维增强铝基复合材料的制造温度或者低于基体的熔点，或者虽然温度较高、但接触时间制造温度或者低于基体的熔点，或者虽然温度较高、但接触时间较短，因此通常不必担心生成过量有害化合物而严重损害复合材较短，因此通常不必担心生成过量有害化合物而严重损害复合材料的性能。但料的性能。但SiCSiC颗粒增强铝基复合材料多在液态下制

47、造，且接颗粒增强铝基复合材料多在液态下制造，且接触时间也相对较长，有时还需考虑二次加工，触时间也相对较长，有时还需考虑二次加工，SiCSiC颗粒与铝基体颗粒与铝基体的相互作用便不可忽略。的相互作用便不可忽略。SiCSiC与与A1A1的反应动力学可用下式表示：的反应动力学可用下式表示：（6-186-18）式中a为材料中Si的重量含量；b基体中原有的Si重量含量；为时间。严格控制温度及向基体中添加Si都可减少反应产物的量。08 十月 2023355 5、铝不锈钢系、铝不锈钢系 A1A1FeFe系中的主要反应产物为系中的主要反应产物为FeFe2 2A A1515，向基体中加合金，向基体中加合金元素元

48、素SiSi、MgMg、CuCu、C C及在钢丝上涂及在钢丝上涂CrCr都能减慢都能减慢FeFe2 2A A1515的生长速的生长速度。度。6 6、镍钨系、镍钨系 NiNiW W系中虽然生成成分不固定（含系中虽然生成成分不固定（含W17.6W17.620.020.0原子原子）、在高温不稳定）、在高温不稳定(分解温度分解温度971)971)的化合物的化合物Ni4WNi4W，但此，但此系中的主要问题是系中的主要问题是W W在在NiNi中的溶解中的溶解(最高可达最高可达4040重量重量)及及W W在在高温时的再结晶。高温时的再结晶。08 十月 2023366.2.46.2.46.2.46.2.4界面的

49、稳定性界面的稳定性界面的稳定性界面的稳定性 金属基复合材料的主要特点在于它能在比树脂基复合材金属基复合材料的主要特点在于它能在比树脂基复合材料高的温度下使用，因此对金属基复合材料的界面要求在允料高的温度下使用，因此对金属基复合材料的界面要求在允许的高温条件下，长时间保持稳定。如果某一种复合材料及许的高温条件下，长时间保持稳定。如果某一种复合材料及其半成品的原始性能很好，但在较高温度下使用或在进一步其半成品的原始性能很好，但在较高温度下使用或在进一步加工过程中由于界面发生变化而使性能下降，则这种复合材加工过程中由于界面发生变化而使性能下降，则这种复合材料没有实际使用价值。金属基复合材料的界面不稳

50、定因素有料没有实际使用价值。金属基复合材料的界面不稳定因素有两类：物理不稳定和化学不稳定。两类：物理不稳定和化学不稳定。08 十月 2023376.2.4.1 6.2.4.1 物理不稳定因素物理不稳定因素 这种不稳定因素主要表现为基体与增强物之间在使用的这种不稳定因素主要表现为基体与增强物之间在使用的高温条件下发生溶解以及溶解与再析出现象。图高温条件下发生溶解以及溶解与再析出现象。图6-126-12示出了示出了镍碳复合材料经热暴露后的形貌和表明碳石墨化的镍碳复合材料经热暴露后的形貌和表明碳石墨化的X X射线射线衍射结果。衍射结果。图图图图6-126-12碳纤维镍复合材料经热处理后的微观形貌和碳