复合材料概论第6章--金属基复合材料.

1、第六章第六章 金属基复合材料金属基复合材料（Metallic Matrix Composites）主要内容主要内容一、基本概念和分类一、基本概念和分类二、金属基体二、金属基体三、金属基复合材料的性能特征三、金属基复合材料的性能特征四、金属基复合材料的界面及优化四、金属基复合材料的界面及优化五、金属基复合材料的制备工艺五、金属基复合材料的制备工艺六、铝基复合材料六、铝基复合材料七、镁基复合材料七、镁基复合材料八、钛基复合材料八、钛基复合材料九、镍基复合材料九、镍基复合材料一、基本概念和分类一、基本概念和分类金属基复合材料金属基复合材料（Metal Matrix Composites，简称，简称M

2、MCs） 以金属或合金为基体，以高性能的纤维、晶须、晶片和以金属或合金为基体，以高性能的纤维、晶须、晶片和颗粒为增强体，通过适当的复合工艺而制成的复合材料。颗粒为增强体，通过适当的复合工艺而制成的复合材料。 按照所用的基体金属的不同，使用温度范围为按照所用的基体金属的不同，使用温度范围为3501200，其特，其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还仅有导电、导热、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不同时还仅有导电、导热、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。老化和无污染等

3、优点。1 1、定义、定义2 2、分类、分类增强体增强体基体基体特性特性长纤维增强复合材料长纤维增强复合材料短纤维短纤维(晶须晶须)增强复合增强复合材料材料颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料层状复合材料层状复合材料Al基复合材料基复合材料Mg基复合材料基复合材料Ti基复合材料基复合材料Cu基复合材料基复合材料Ni基复合材料基复合材料金属间化合物基金属间化合物基复合材料复合材料结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类按增强体类型分类按增强体类型分类二、金属基体二、金属基体金属基体具有很多优良性能：金属基体具有很多优良性能：使用性能使用性能反映金属材料在

4、使用过程中所表现出反映金属材料在使用过程中所表现出来的性能，包括力学性能、物理及化学性能。来的性能，包括力学性能、物理及化学性能。工艺性能工艺性能反映金属在加工制造过程中表现出来反映金属在加工制造过程中表现出来的性能，包括铸造、压力加工、焊接、切削加工和热的性能，包括铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理等性能。处理等性能。 这些性能与金属的成分、组织和结构密切相关。这些性能与金属的成分、组织和结构密切相关。1 1、选择金属基体的原则、选择金属基体的原则目前用作金属基复合材料的金属有目前用作金属基复合材料的金属有铝铝及铝合金、及铝合金、镁镁合合金、金、钛钛合金、合金、镍镍合金、合金、铜铜与铜合

5、金、与铜合金、锌锌合金、铅、钛铝、合金、铅、钛铝、镍铝镍铝金属间化合物金属间化合物等。等。基体材料成分的选择对能否基体材料成分的选择对能否充分组合和发挥金属基体充分组合和发挥金属基体和增强体性能特点和增强体性能特点，获得预期的，获得预期的优异综合性能优异综合性能，满足使用，满足使用要求十分重要。要求十分重要。 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求 金属基复合材料构件的金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据体材料最重要的依据。v 航天、航空领域：航天、航空领域：高比强度和比模量高比强度和比模量以及以及尺寸稳定性尺寸稳定性是最重是最重要的

6、性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金金镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨维等组成石墨/ /镁、石墨镁、石墨/ /铝、硼铝、硼/ /铝复合材料。铝复合材料。v 火箭、飞机高性能发动机：火箭、飞机高性能发动机：要求复合材料不仅有要求复合材料不仅有高比高比强度强度和和比模量比模量，还要具有优良的，还要具有优良的耐高温耐高温性能，能在高温、氧化性气氛性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍中

7、正常工作。此时不宜选用一般的铝、镁合金，而应选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/ /钛、钨丝钛、钨丝/ /镍基超合镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。v 汽车发动机：汽车发动机：要求其零件要求其零件耐热、耐磨、导热耐热、耐磨、导热、一定的高温强、一定的高温强度等，同时又要求度等，同时又要求成本低廉成本低廉，适合于批量生产，因此选用铝合金作基，适合于批量生产，因此选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/ /

8、铝基复合材料。如碳铝基复合材料。如碳化硅化硅/ /铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/ /铝复合材料可制作发动机活铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。塞、缸套等零件。v 电子工业：电子工业：集成电路基板和元件需要集成电路基板和元件需要高导热、低高导热、低膨胀、具有一定耐热性膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。的金属基复合材料。 选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低选用具有高导热率的银、铜、铝等金属为基体与高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒复合成具有低热膨胀系数和

9、高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复低热膨胀系数和高导热率、高比强度、高比模量等性能的金属基复合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。合材料，可能成为解决高集成电子器件的关键材料。 金属基复合材料组成特点金属基复合材料组成特点v 连续纤维增强金属基复合材料：连续纤维增强金属基复合材料： 纤维是主要承载物体纤维是主要承载物体，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基，纤维本身具有很高的强度和模量，而金属基体的强度和模量远远低于纤维。基体的主要作用应是体的强度和模量远远低于纤维。基体的主要作用应是以充分发挥增强纤以充分发挥增强纤维的性能为主维的性能为主，基体本身应有良好的，基体本身应有

10、良好的塑性，塑性，与纤维应有与纤维应有良好的相容性良好的相容性，而而并不要求并不要求基体本身有很高的强度。基体本身有很高的强度。 如在如在Cf/Al基复合材料中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基基复合材料中，纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。体比高强度铝合金要好得多，使用后者制成的复合材料的性能反而低。这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。这与基体和纤维的界面状态、脆性相的存在、基体本身的塑性有关。 金属基复合材料组成特点取决于金属基复合材料组成特点取决于增强体的形态增强体的形态、不不同的受力特点同的受力

11、特点等，应根据不同的组成特点来选择金属等，应根据不同的组成特点来选择金属基体。基体。v 非连续增强体（颗粒、晶须、短纤维）金属基复非连续增强体（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料合材料 基体是主要承载物基体是主要承载物，基体的强度对复合材料具有决定，基体的强度对复合材料具有决定性的影响性的影响，因此要获得高性能金属基复合材料，因此要获得高性能金属基复合材料，必须选必须选用高强度金属或合金作为基体用高强度金属或合金作为基体，这与连续纤维增强金属，这与连续纤维增强金属基复合材料中基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复基复合材料中基体的选择完全不同。如颗粒增强铝基复合材料一般选用高强度铝合金（如合材料

12、一般选用高强度铝合金（如A365A365，60616061，70757075）为基体。为基体。 基体金属与增强体的相容性基体金属与增强体的相容性v 由于复合材料中包含基体和增强体，要使组分间具有由于复合材料中包含基体和增强体，要使组分间具有良好的配合，则这两相之间必须具有良好的良好的配合，则这两相之间必须具有良好的物理相容物理相容性性（浸润性、热匹配）和（浸润性、热匹配）和化学相容性化学相容性（形成合适的、（形成合适的、稳定的界面，避免有害的化学反应）。稳定的界面，避免有害的化学反应）。v 具体措施：具体措施： 对增强体进行对增强体进行表面处理表面处理 在金属基体中在金属基体中添加其他合金元素

13、添加其他合金元素 选择适宜的选择适宜的成型方法成型方法 缩短材料在缩短材料在高温下的停留时间高温下的停留时间等。等。2 2、结构复合材料的基体、结构复合材料的基体结构复合材料的基体分为结构复合材料的基体分为轻金属基体轻金属基体和和耐热合金基体耐热合金基体 用于用于450以下的轻金属基体以下的轻金属基体 目前最广泛、最成熟的铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人目前最广泛、最成熟的铝基和镁基复合材料，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等造卫星、空间站、汽车发动机零件、刹车盘等 。 用于用于450700的复合材料的金属基体的复合材料的金属基体 钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强

14、度高等特点，可在钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化、强度高等特点，可在450450700700使用，用于航空发动机等零部件。使用，用于航空发动机等零部件。 用于用于1000以上的高温复合材料的金属基体以上的高温复合材料的金属基体 基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基体主要是镍基、铁基耐热合金和金属间化合物。较成熟的是镍基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。基、铁基高温合金，金属间化合物基复合材料尚处于研究阶段。3 3、功能复合材料的基体、功能复合材料的基体v 要求材料和器件具有优良的要求材料和器件具有优良的综合物理性能综合物理性能，如同时具如同时具有有高力

15、学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗高力学性能、高导热、低热膨胀、高导电率、高抗电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。电弧烧蚀性、高摩擦系数和耐磨性等。v 单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要靠优化设计和先进制造技术靠优化设计和先进制造技术将金属与增强体做成复合将金属与增强体做成复合材料来满足需求。材料来满足需求。 用于用于电子封装电子封装的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量的金属基复合材料有：高碳化硅颗粒含量的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝的铝基、铜基复合材料，高模、超高模石墨纤维增强铝基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶

16、金刚石纤维增强基、铜基复合材料，金刚石颗粒或多晶金刚石纤维增强铝基、铜基复合材料，硼铝基、铜基复合材料，硼/铝基复合材料等，其基体主要铝基复合材料等，其基体主要是纯铝和纯铜。是纯铝和纯铜。用于用于耐磨耐磨零部件的金属基复合材料有：碳化硅、氧化铝、零部件的金属基复合材料有：碳化硅、氧化铝、石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金石墨颗粒、晶须、纤维等增强铝、镁、铜、锌、铅等金属及其合金的金属基复合材料。属及其合金的金属基复合材料。用于用于集电和电触头集电和电触头的金属基复合材料有：碳（石墨）纤的金属基复合材料有：碳（石墨）纤维或颗粒、金属丝、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等维或颗粒、金属丝

17、、陶瓷颗粒增强铝、铜、银及合金等金属基复合材料。金属基复合材料。三、金属基复合材料的性能特征三、金属基复合材料的性能特征 金属基复合材料的性能取决于所选的金属或合金基体和金属基复合材料的性能取决于所选的金属或合金基体和增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以既发挥增强体的特性、含量、分布等。通过优化组合可以既发挥金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综金属特性，又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能。合性能。其主要的性能特点有：其主要的性能特点有：v 高比强度、比模量高比强度、比模量v 良好的断裂韧性和抗疲劳性能良好的断裂韧性和抗疲劳性能v 热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨

18、胀系数小、尺寸稳定性好v 良好的导电、导热性能良好的导电、导热性能v 良好的高温性能良好的高温性能v 良好的耐磨性与阻尼性良好的耐磨性与阻尼性v 性能再现性及可加工性好性能再现性及可加工性好v 不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好v 高比强度和高比模量高比强度和高比模量 由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密由于在金属基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等增强体，明显地提高了复合材料度的纤维、晶须、颗粒等增强体，明显地提高了复合材料的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维的比强度和比模量，特别是高性能连续纤维B纤维、纤维、C纤纤维、维、SiC纤维等增强

19、体，具有很高的强度和模量。纤维等增强体，具有很高的强度和模量。v 良好的断裂韧性和抗疲劳性能良好的断裂韧性和抗疲劳性能 基体中的裂纹顶端的最基体中的裂纹顶端的最大应力接近基体的抗拉强度，大应力接近基体的抗拉强度，而低于纤维的断裂应力时，而低于纤维的断裂应力时，裂纹或在界面扩展钝化，或裂纹或在界面扩展钝化，或因基体的塑性剪切变形而钝因基体的塑性剪切变形而钝化，从而改善了材料的断裂化，从而改善了材料的断裂韧性。韧性。 金属基复合材料相对与聚合物基、陶瓷基复合材料具有金属基复合材料相对与聚合物基、陶瓷基复合材料具有高的高韧性和耐冲击性能。高的高韧性和耐冲击性能。v 热膨胀系数小、尺寸稳定性好热膨胀系

20、数小、尺寸稳定性好 由于增强体由于增强体C纤维、纤维、B纤维、纤维、SiC纤维、晶须、颗粒等均纤维、晶须、颗粒等均具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模具有很小的热膨胀系数，又具有很高的模量，特别是高模量、超高模量的石墨纤维甚至具有负的热膨胀系数。通过量、超高模量的石墨纤维甚至具有负的热膨胀系数。通过选择不同的金属基体和增强体，以一定的比例复合在一起，选择不同的金属基体和增强体，以一定的比例复合在一起，可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基可得到导热性好、热膨胀系数小、尺寸稳定性好的金属基复合材料。复合材料。例：石墨纤维例：石墨纤维/镁基复合材料镁基复合材料 当纤维含量

21、达到当纤维含量达到48%时，复合材料的热膨胀系数为时，复合材料的热膨胀系数为0v良好的导电、导热性能良好的导电、导热性能金属基复合材料导热、导电性能比聚合物或者陶瓷基结金属基复合材料导热、导电性能比聚合物或者陶瓷基结构好得多。它可以使局部高温热源和集中电荷很好扩散消构好得多。它可以使局部高温热源和集中电荷很好扩散消除。如碳纤维增强铝基复合材料可以作为航空航天技术领除。如碳纤维增强铝基复合材料可以作为航空航天技术领域中的结构材料，还可以作为空间装置的热传导和散热器域中的结构材料，还可以作为空间装置的热传导和散热器面板应用。面板应用。v良好的高温性能良好的高温性能和聚合物基复合材料相比，和聚合物基

22、复合材料相比，MMC的物理和力学性能具的物理和力学性能具有高温稳定性，即对温度变化不敏感，具有较好的高温性有高温稳定性，即对温度变化不敏感，具有较好的高温性能，可作为在一定高温下使用的结构材料。能，可作为在一定高温下使用的结构材料。例子：例子：Cgr/Al基复合材料在基复合材料在500高温下，仍具有高温下，仍具有600MPa的强的强度，而铝基体在度，而铝基体在300时强度已下降到时强度已下降到100MPa以下；以下；Wf/耐热合金，在耐热合金，在1100/100h下持久强度为下持久强度为207MPa，而基体耐热合金在同样条件下的持久强度只有而基体耐热合金在同样条件下的持久强度只有48MPa.硼

23、纤维增强铝在近硼纤维增强铝在近400 温度下仍有较好的高温比强度。温度下仍有较好的高温比强度。而硼纤维在增强环氧树脂复合材料在室温时具有比而硼纤维在增强环氧树脂复合材料在室温时具有比MMC高的比强度，但在约高的比强度，但在约150 时，比强度已经明显下降。时，比强度已经明显下降。v良好耐磨性与阻尼性良好耐磨性与阻尼性由于加入了大量的陶瓷增强体，而陶瓷增强体硬度高、由于加入了大量的陶瓷增强体，而陶瓷增强体硬度高、耐磨、化学性质稳定，用它们来增强金属材料，不仅提高耐磨、化学性质稳定，用它们来增强金属材料，不仅提高了材料的强度和刚度，也提高了复合材料的硬度、耐磨性了材料的强度和刚度，也提高了复合材料

24、的硬度、耐磨性和阻尼性。和阻尼性。例子：例子：SiCp/Al基复合材料的耐磨性比铝高出基复合材料的耐磨性比铝高出2倍以上，比铸倍以上，比铸铁还好，在汽车、机械工业中具有重要的应用前景。铁还好，在汽车、机械工业中具有重要的应用前景。SiCp/Al复合材料复合材料汽车活塞杆（环）、汽车活塞杆（环）、刹车盘刹车盘v 性能再现性及可加工性好性能再现性及可加工性好金属材料的特性之一就是性能再现好。金属材料与其它材料相比，金属材料的特性之一就是性能再现好。金属材料与其它材料相比，金属材料的力学、物理和化学性能比较稳定，性能可以通过合金化，金属材料的力学、物理和化学性能比较稳定，性能可以通过合金化，得到精确

25、的控制得到精确的控制。这种特性对要求高强、高模以及高温性能的复合材。这种特性对要求高强、高模以及高温性能的复合材料尤为重要。目前，如何提高料尤为重要。目前，如何提高金属基体与增强材料之间的结合性能和金属基体与增强材料之间的结合性能和界面控制界面控制，成为提高金属基复合材料性能稳定性和再现性的关键。，成为提高金属基复合材料性能稳定性和再现性的关键。MMC可如其它金属材料一样，可以借用金属材料加工成型的方可如其它金属材料一样，可以借用金属材料加工成型的方法来制备，如法来制备，如扩散结合扩散结合、粉末冶金粉末冶金、铸造成型铸造成型等，也可通过等，也可通过轧制轧制、拉拉拔拔、挤压挤压等金属材料的压力加

26、工方法进行第二次加工，进一步提高复等金属材料的压力加工方法进行第二次加工，进一步提高复合材料的性能。甚至可以进行合材料的性能。甚至可以进行超塑性加工成型超塑性加工成型。这是。这是PMC、CMC和和C/C复合材料所不具备的加工性能。复合材料所不具备的加工性能。v 不吸潮、不老化、气密性好不吸潮、不老化、气密性好与聚合物材料相比，与聚合物材料相比，MMC的性能稳定、组织致密、的性能稳定、组织致密、不会老化、分解、和吸潮等，也不会发生性能的自然退不会老化、分解、和吸潮等，也不会发生性能的自然退化，在太空中使用也不会分解出低分子物质污染仪器和化，在太空中使用也不会分解出低分子物质污染仪器和环境。环境。

27、v 制造困难（相对于纯金属）制造困难（相对于纯金属）v 难于形成理想的界面难于形成理想的界面v 加工困难加工困难v 价格昂贵价格昂贵缺点：缺点：四、金属基复合材料的界面及优化四、金属基复合材料的界面及优化 金属基复合材料中金属基体和增强体之间的界面对复合金属基复合材料中金属基体和增强体之间的界面对复合材料的性能起着决定性的作用。材料的性能起着决定性的作用。主要考察：主要考察：v 界面类型与界面结合界面类型与界面结合v 界面稳定性界面稳定性v 界面浸润界面浸润v 界面反应控制界面反应控制1、MMC的界面类型的界面类型（一）（一）MMCMMC的界面类型与界面结合的界面类型与界面结合 一般根据增强材

28、料和基体之间的物理与化学相容性，一般根据增强材料和基体之间的物理与化学相容性，即即界面溶解界面溶解与与界面反应界面反应来分类，分为三种类型：来分类，分为三种类型：v 第第类界面类界面 基体与增强材料界面基体与增强材料界面既不相互反应，也不互溶。既不相互反应，也不互溶。微观上界面是平整或光滑，微观上界面是平整或光滑，而且只有分子层厚度。界而且只有分子层厚度。界面两侧分别为基体和增强面两侧分别为基体和增强材料，不含其它物质。材料，不含其它物质。 如如SiCw/Al的界面。的界面。 增强材料和基体之间相互扩散渗透，相互溶解而形成的界面。这增强材料和基体之间相互扩散渗透，相互溶解而形成的界面。这类界面

29、往往在增强材料（如纤维）周围，形成环状，界面呈犬牙交错的类界面往往在增强材料（如纤维）周围，形成环状，界面呈犬牙交错的溶解扩散层。如溶解扩散层。如Cf/Ni基复合材料的界面属第基复合材料的界面属第类界面，白色的为镍环，类界面，白色的为镍环，为为Ni扩散溶解到扩散溶解到Cf，而，而Cf中中C扩散到扩散到Ni，并发生结构变化（趋向石墨结，并发生结构变化（趋向石墨结构）。构）。v 第第IIII类界面类界面(a) (b)Cf/Ni复合材料界面复合材料界面 (a) 碳纤维周围的镍环及碳纤维周围的镍环及(b) 碳纤维碳纤维XRD图图Bf/Ti-6Al-4V中中TiB2反应层反应层（850，100h）v 第

30、第IIIIII类界面类界面 基体与增强材料的界面发生界面反应，界面存在有微米基体与增强材料的界面发生界面反应，界面存在有微米和亚微米级的界面反应产物。最典型是和亚微米级的界面反应产物。最典型是Bf/Ti，Cf/Al复合材复合材料。在高温下料。在高温下 Bf/Ti在界面形成在界面形成TiB2界面反应物层。界面反应物层。Cf/Al复合材料中复合材料中Cf与与Al基体发生界面反应，生成基体发生界面反应，生成Al4C3。Cf/Al的界面反应及反应产物的界面反应及反应产物Al4C3v 准准I类界面类界面出现准出现准类界面有两种情况：类界面有两种情况： 属属类界面中的增强材料与基体，类界面中的增强材料与基

31、体，从热力学分析会可能发生界面反应，从热力学分析会可能发生界面反应，但当采用固态法制备时，形成但当采用固态法制备时，形成类界类界面；而当采用液态法制备时就可能形面；而当采用液态法制备时就可能形成第成第类界面；类界面； 增强材料的表面未处理，存在有增强材料的表面未处理，存在有吸附的氧，在制备时也会与基体产生吸附的氧，在制备时也会与基体产生界面反应。界面反应。 如如SiCf/Al，Bf/Al属于此类。属于此类。 为此把这类界面称之为准为此把这类界面称之为准类界面。类界面。SiCf/Al、B4Cp/Mg复合材料的准复合材料的准类类界面界面准准类界面类界面2、MMC的界面结合的界面结合 为使复合材料具

32、有良好的性能，需要在增强材料和基为使复合材料具有良好的性能，需要在增强材料和基体之间建立一定的结合力，只有结合适中才能使材料呈现体之间建立一定的结合力，只有结合适中才能使材料呈现高强度和高塑性。工艺明显影响高强度和高塑性。工艺明显影响MMC的界面结合强度的界面结合强度。MMC界面结合形式分为四种：界面结合形式分为四种：v 机械结合机械结合 v 浸润与溶解结合浸润与溶解结合v 化学反应结合化学反应结合v 混合结合混合结合v 机械结合机械结合 第第类界面属于机械结合的界面。界面结合主要依靠类界面属于机械结合的界面。界面结合主要依靠增强材料粗糙的表面的机械增强材料粗糙的表面的机械“锚固锚固”力和基体

33、的收缩力力和基体的收缩力来包紧增强材料产生摩擦力而结合。来包紧增强材料产生摩擦力而结合。v 浸润与溶解结合浸润与溶解结合 基体与增强相之间发生润湿，并伴随一定的相互溶解基体与增强相之间发生润湿，并伴随一定的相互溶解而产生的一种属第而产生的一种属第类界面的结合。类界面的结合。v 化学反应结合化学反应结合 增强材料与基体界面之间发生化学反应，在界面上增强材料与基体界面之间发生化学反应，在界面上形成新的化合物层，也就是第形成新的化合物层，也就是第类界面层，这是类界面层，这是MMC的主要结合方式。的主要结合方式。v 混合结合混合结合 反映界面的不稳定性，可能两种结合方式并存。反映界面的不稳定性，可能两

34、种结合方式并存。MMC在实际使用中，往往会存在这种结合方式。在实际使用中，往往会存在这种结合方式。（二）（二）MMCMMC的界面稳定性的界面稳定性 MMC主要特点是高温下性能，要求性能稳定性，即主要特点是高温下性能，要求性能稳定性，即能长时间在使用温度下保持其性能的稳定性能长时间在使用温度下保持其性能的稳定性。界面稳定性。界面稳定性研究是研究是MMC复合材料界面优化的重要组成部分。通过界复合材料界面优化的重要组成部分。通过界面稳定性研究，可以帮助选择合适的基体和增强材料的组面稳定性研究，可以帮助选择合适的基体和增强材料的组分、处理方式，以及制定合理的制备工艺和参数，避免出分、处理方式，以及制定

35、合理的制备工艺和参数，避免出现界面不稳定性或减少界面不稳定性，提高复合材料性能现界面不稳定性或减少界面不稳定性，提高复合材料性能的稳定性。的稳定性。影响界面稳定性的因素主要有物理因素和化学因素，即：影响界面稳定性的因素主要有物理因素和化学因素，即：v 界面溶解与析出界面溶解与析出v 界面反应界面反应 1、界面溶解与析出、界面溶解与析出 界面溶解与析出是影响界面溶解与析出是影响MMC第第类界面稳定性的主要类界面稳定性的主要物理因素。典型例子是物理因素。典型例子是Cf/Ni和和Wf/Ni复合材料。复合材料。 界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现不界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会

36、出现不稳定。稳定。例如：例如：Wf/Ni中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严重，中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严重，但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在1100下下经过经过50h，Wf的直径仅为原来的直径仅为原来50，这样就严重影响了，这样就严重影响了Wf/Ni复合材料的使用性能和可靠性。复合材料的使用性能和可靠性。 有的复合材料的界面还会出现先溶解后析出的现象。这有的复合材料的界面还会出现先溶解后析出的现象。这种溶解与析出使增强材料的表层聚集形态和结构发生变化。种溶解与析出使增强材料的表层聚集形态和结构发生变化。例如：例如：Cf/Ni复

37、合材料，在高温下复合材料，在高温下Cf溶入溶入Ni基体，而后基体，而后C又又在在Ni中析出，析出的中析出，析出的C向石墨结构转化，体积减小，向石墨结构转化，体积减小，Cf内部内部造成孔隙，给造成孔隙，给Ni的扩散渗入聚集进一步提供了位置。结果的扩散渗入聚集进一步提供了位置。结果随着随着Ni的渗入量的增加，形成了的渗入量的增加，形成了Ni环。环。Cf/Ni复合材料高温力学性能的变化复合材料高温力学性能的变化 结果随着温度的提高，时间的增长，结果随着温度的提高，时间的增长，Ni的渗入量的增的渗入量的增加，加，Cf的有效面积急剧减小，增强效果明显降低，的有效面积急剧减小，增强效果明显降低，Cf/Ni

38、的的强度明显下降。强度明显下降。2、界面反应、界面反应 界面反应是影响具有第界面反应是影响具有第类界面的复合材料界面稳类界面的复合材料界面稳定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合材料性用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合材料性能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质有关，与反应的温度、时间有关。有关，与反应的温度、时间有关。 MMC界面反应

39、分为：界面反应分为：v 连续界面反应；连续界面反应；v 交换式界面反应；交换式界面反应；v 暂稳态界面变化。暂稳态界面变化。v 连续界面反应连续界面反应 MMC在在制备过程中，或在热处理过程，也可在高温使制备过程中，或在热处理过程，也可在高温使用过程，增强材料与基体的界面反应连续进行。连续界面用过程，增强材料与基体的界面反应连续进行。连续界面反应可以反应可以发生在基体或增强材料一侧，也可以在基体和增发生在基体或增强材料一侧，也可以在基体和增强材料界面上同时进行。强材料界面上同时进行。 影响影响MMC连续界面反应的因素主要有温度、时间。反连续界面反应的因素主要有温度、时间。反应的量会随温度的变化

40、和时间的长短发生变化。这类界面应的量会随温度的变化和时间的长短发生变化。这类界面反应的典型如反应的典型如Cf/Ni、Bf/Ti、Cf/Al以及以及SiCf/Ti等。等。Bf/Ti-6Al-4V，经，经850100h后界面反应后界面反应 Bf/Ti-6Al-4V的连续界面反应，一般是发生在的连续界面反应，一般是发生在Bf一侧。一侧。Bf表面表面B原子通过界面层向原子通过界面层向Ti基体扩散（在基体扩散（在Bf内部留下空内部留下空洞），并与洞），并与Ti反应生成反应生成TiB2界面反应产物。在一定温度和界面反应产物。在一定温度和时间条件下，界面反应是连续进行的。时间条件下，界面反应是连续进行的。例

41、例1：Bf/Ti-6Al-4V连续界面反应连续界面反应各种温度下的各种温度下的Bf/Ti的界面反应物厚度的界面反应物厚度与时间的关系与时间的关系 Bf/Ti的界面反应受扩的界面反应受扩散过程控制，界面反应层散过程控制，界面反应层厚度（厚度（X）与反应时间的）与反应时间的平方根呈线性关系，即：平方根呈线性关系，即：其中，其中，K为反应速度常为反应速度常数；数；t为反应时间（为反应时间（s）例例2：Bf/Ti界面反应与温度及时间关系界面反应与温度及时间关系tKX 不同不同Cf/Al界面反应界面反应 a)反应产物反应产物Al4C3量随热处理温度的变化量随热处理温度的变化以及以及 b)对复合材料强度的

42、影响对复合材料强度的影响 Cf/Al的连续界面反应，根据微观观察界面反应产物出的连续界面反应，根据微观观察界面反应产物出现的位置，以及现的位置，以及Cf表面变化情况，说明界面反应是发生在表面变化情况，说明界面反应是发生在Al基体一侧。而且与温度有明显的关系。基体一侧。而且与温度有明显的关系。例例3：Cf/Al连续界面反应连续界面反应例例4：SiCf/Ti连续界面反应连续界面反应 SiCf/Ti连续界面反应发生在增连续界面反应发生在增强材料与基体界面两侧。并且界强材料与基体界面两侧。并且界面反应产物也与面反应产物也与Si、C和和Ti的原子的原子扩散速度有关。扩散速度有关。 SiCf/Ti连续界面

43、反应产物在界连续界面反应产物在界面上靠面上靠Ti基体一侧为基体一侧为SimTin化物，化物，中间是中间是TiSiC化合物，而靠化合物，而靠SiCf一一侧是侧是TiC。SiCf/Ti-6Al-4V的界面的界面不同位置俄歇电子能谱线扫描不同位置俄歇电子能谱线扫描SiCfTiBf/Ti-6Al-4V界面交换反应示意图界面交换反应示意图v 交换式界面反应交换式界面反应 当增强材料含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应，形当增强材料含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应，形成反应产物后，反应产物还会与其他基体元素发生交换反应，产生界成反应产物后，反应产物还会与其他基体元素发生交换反应，产生界面的

44、不稳定。例如硼纤维增强含铝较高的钛合金（面的不稳定。例如硼纤维增强含铝较高的钛合金（Ti-8Al-1Mo-1V),在在硼纤维和基体界面上会发生交换反应。硼纤维和基体界面上会发生交换反应。 Ti(Al)B (Ti, Al)B2 (Ti, Al)B2 Ti TiB2 Ti(Al) 即界面先反应生成即界面先反应生成(Ti,Al)B2界面反界面反应产物，该产物可能与应产物，该产物可能与Ti继续进行交继续进行交换反应生成换反应生成TiB2和和Ti(Al)。这样，界。这样，界面反应物中的铝又会重新聚集与基体面反应物中的铝又会重新聚集与基体合金一侧。合金一侧。SiCf/Al、B4Cp/Mg的暂稳态界面的暂稳

45、态界面v 暂稳态界面的变化暂稳态界面的变化 一般由于增强材料表面局部氧化造成。比如硼纤维增强铝，由于硼一般由于增强材料表面局部氧化造成。比如硼纤维增强铝，由于硼纤维上吸附有氧，并生成纤维上吸附有氧，并生成BO2。由于铝的活性强，可以还原。由于铝的活性强，可以还原BO2，生成，生成Al2O3，这种界面结合称为氧化结合；在长期热效应作用下，这种界面结合称为氧化结合；在长期热效应作用下，BO2的氧的氧化膜会发生球化，这种局部球化也会影响材料性能。化膜会发生球化，这种局部球化也会影响材料性能。这种暂稳态界面属于准这种暂稳态界面属于准 类界面。类界面。 在在B4Cp/Mg、SiCf或或SiCw/Al中中

46、也同样会出现这种暂稳态界面的变也同样会出现这种暂稳态界面的变化，往往要注意这种界面不稳定性化，往往要注意这种界面不稳定性对对MMC性能的影响。性能的影响。（三）（三）MMCMMC的界面界面浸润与界面反应控制的界面界面浸润与界面反应控制 随着人们对随着人们对MMC界面显著影响复合材料性能认识的提界面显著影响复合材料性能认识的提高，改善增强材料和基体的润湿性以及控制界面反应的速高，改善增强材料和基体的润湿性以及控制界面反应的速率与反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面率与反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或者界面层的产生，已成为或者界面层的产生，已成为MMC界面研究的重要内容。

47、界面研究的重要内容。目前主要有两种方法：目前主要有两种方法：v 增强材料的表面处理，如表面涂覆增强材料的表面处理，如表面涂覆v 基体合金化（或基体改性）基体合金化（或基体改性） 1、增强材料的表面处理、增强材料的表面处理根据润湿方程，根据润湿方程，lgslsgcos 要提高增强材料与基体熔体的润湿性，主要是提高要提高增强材料与基体熔体的润湿性，主要是提高 sg，或降低或降低 lg 。 通过增强材料的表面处理可以增加增强材料的表面能，是通过增强材料的表面处理可以增加增强材料的表面能，是可行的。可行的。增强材料按表面性质差异可分为两类：增强材料按表面性质差异可分为两类：v 第一类表面能低；第一类表

48、面能低；v 第二类较易于被基体润湿第二类较易于被基体润湿v 第一类表面能低第一类表面能低第一类表面能低的增强材料主要有第一类表面能低的增强材料主要有C纤维和纤维和Al2O3纤维、纤维、颗粒和晶须。颗粒和晶须。这类增强材料极不容易被基体融体润湿，又能与某些这类增强材料极不容易被基体融体润湿，又能与某些金属发生强烈的界面反应。对于这类增强材料首先是要提金属发生强烈的界面反应。对于这类增强材料首先是要提高其与基体的湿润性。高其与基体的湿润性。v 第二类较易于被基体润湿第二类较易于被基体润湿 第二类较易于被基体润湿，也能与某些金属基体发生第二类较易于被基体润湿，也能与某些金属基体发生反应。主要有反应。

49、主要有B纤维、纤维、SiC和和B4C类增强材料。对于这类增类增强材料。对于这类增强材料主要是要控制其与基体的界面反应。强材料主要是要控制其与基体的界面反应。 增强材料的表面处理，如表面进行合适的涂层，使涂增强材料的表面处理，如表面进行合适的涂层，使涂层材料既可以起到提高固相表面能作用，同时涂层也可作层材料既可以起到提高固相表面能作用，同时涂层也可作为增强材料与基体间界面反应的阻挡层，起到控制界面反为增强材料与基体间界面反应的阻挡层，起到控制界面反应的作用。应的作用。 增强材料的表面处理，是针对不同基体应用合适的增强材料的表面处理，是针对不同基体应用合适的材料来进行表面涂覆，表面涂层可以在增强材

50、料与基体材料来进行表面涂覆，表面涂层可以在增强材料与基体间起到以下作用：间起到以下作用：v 改善湿润性和粘着性；改善湿润性和粘着性；v 防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）；防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）；v 提高增强材料的抗氧化性提高增强材料的抗氧化性 v 减轻增强材料与基体之间的热应力集中减轻增强材料与基体之间的热应力集中v 防止增强材料的表面损伤。防止增强材料的表面损伤。例例5：采用采用CVD法在碳纤维涂覆法在碳纤维涂覆Ti-B，用于，用于Cf/Al基复合材料基复合材料Cf/Al是一种适宜空间技是一种适宜空间技术的结构和功能复合材料。术的结构和功能复合材料。但是碳纤维和石墨纤维的表但是

51、碳纤维和石墨纤维的表面能很低，一般在正常制备面能很低，一般在正常制备温度下无法被温度下无法被Al液所润湿，液所润湿，只有在只有在10001000高温下才能改高温下才能改善其与善其与Al的润湿性。右图为的润湿性。右图为不同温度下不同温度下Al液与液与C（石墨）（石墨）接触角与温度的关系曲线。接触角与温度的关系曲线。铝液与碳接触角与温度的关系铝液与碳接触角与温度的关系二元铝合金与涂二元铝合金与涂Ti-B后后与石墨的接触角和时间的关系与石墨的接触角和时间的关系 为提高碳和铝的润湿性并控为提高碳和铝的润湿性并控制界面反应，一般采用制界面反应，一般采用CVD法在法在碳纤维上涂覆碳纤维上涂覆TiB涂层或镀

52、涂层或镀Na层，取得了满意的效果。层，取得了满意的效果。 二元铝合金与涂二元铝合金与涂Ti-B后石墨后石墨的接触角和时间的关系，可以看的接触角和时间的关系，可以看出不同铝基体上与石墨有良好的出不同铝基体上与石墨有良好的润湿性。润湿性。表面处理后对在空气中加热后表面处理后对在空气中加热后Bf强度的影响强度的影响 表面涂覆后，能显著降低表面涂覆后，能显著降低Bf与基体与基体Ti的界面反应产物，的界面反应产物，起到了控制起到了控制Bf/Ti复合材料的作用。同时复合材料的作用。同时Bf表面涂层还提表面涂层还提高了复合材料的高温抗氧化性。高了复合材料的高温抗氧化性。例例6：在在Bf表面涂覆表面涂覆SiC

53、、B4C，主要用于，主要用于Bf/Ti复合材料复合材料Bf表面处理后对硼纤维表面处理后对硼纤维/钛的界面反应钛的界面反应层厚度的影响层厚度的影响 2、金属基体改性（基体合金化）、金属基体改性（基体合金化）在某些金属基复合材料体系中，采用基体合金中添在某些金属基复合材料体系中，采用基体合金中添加某些合金元素以改善增强材料和基体材料之间的浸润加某些合金元素以改善增强材料和基体材料之间的浸润条件或有效控制界面反应的方法为金属基改性。条件或有效控制界面反应的方法为金属基改性。 一般基体改性合金化元素应考虑为与增强材料组成一般基体改性合金化元素应考虑为与增强材料组成元素化学位相近的元素，这样亲和力大，容

54、易发生润湿，元素化学位相近的元素，这样亲和力大，容易发生润湿，此外化学位是推动反应的位能，差别小，发生反应的可此外化学位是推动反应的位能，差别小，发生反应的可能性小。能性小。硼纤维硼纤维/钛界面层开裂示意图钛界面层开裂示意图v 基体改性控制界面反应基体改性控制界面反应硼纤维增强钛基复合材料硼纤维增强钛基复合材料硼纤维和钛的界面反应强烈，硼纤维和钛的界面反应强烈，界面反应产物界面反应产物TiB2是脆性物是脆性物质，在达到一定厚度后，在质，在达到一定厚度后，在远低于硼纤维断裂应变条件远低于硼纤维断裂应变条件下，硼化物界面层断裂，引下，硼化物界面层断裂，引起硼纤维的断裂。起硼纤维的断裂。界面反应产物

55、的厚度对界面反应产物的厚度对Bf/Ti应力应变曲线的影响应力应变曲线的影响界面反应产物厚度对界面反应产物厚度对Bf/Ti断裂性能的影响断裂性能的影响硼纤维与不同成分钛基体在硼纤维与不同成分钛基体在760界面反应对界面反应对TiB2层厚度影响层厚度影响 在在760时，时，Ti合金与合金与Bf的界面反应生成的的界面反应生成的TiB2层厚层厚(X)与时间与时间(t)的关系如的关系如右图所示。右图所示。 符合：符合： 基体改性方法就是在基体改性方法就是在Ti合金中添加某些合金元素，以合金中添加某些合金元素，以减少界面反应的量，从而防止减少界面反应的量，从而防止TiB2层过厚。在钛中添加层过厚。在钛中添

56、加的合金元素有：的合金元素有：Si、Sn、Cu、Ge、Al、Mo、V和和Zr等。等。不同基体与不同基体与Bf反应速度常数反应速度常数计算这些合金与计算这些合金与B的反应速度常数的反应速度常数K，得下表，得下表 。（1）没有影响。如硅和锡，仍旧保）没有影响。如硅和锡，仍旧保留钛的单一活性；留钛的单一活性；（2）使反应速度稍有下降，下降量）使反应速度稍有下降，下降量和添加量正比，有稀释作用，如铜和和添加量正比，有稀释作用，如铜和锗，实际上在界面起一定的阻挡作用；锗，实际上在界面起一定的阻挡作用；（3）反应速度降低明显，如铝、钼、）反应速度降低明显，如铝、钼、钒和锆。其中钒和锆。其中Al与与Mo基本

57、不与基本不与B反反应，而应，而V，Zr可能先与可能先与B反应，从而反应，从而阻挡了阻挡了Ti与与B的反应。的反应。这些合金元素按界面反应速度常数这些合金元素按界面反应速度常数K作用的大小分为三类：作用的大小分为三类： 从从Ti基体合金化与基体合金化与Bf界面反应控制，可以得出，界面反应控制，可以得出，要控要控制或减少液态基体与固态增强材料界面反应，应加入具制或减少液态基体与固态增强材料界面反应，应加入具有以下特性的合金元素：有以下特性的合金元素： 不与固态材料表面反应，但对液态金属基体合金不与固态材料表面反应，但对液态金属基体合金起到稀释作用；起到稀释作用； 能降低液态金属基体与增强材料的界面

58、反应速度能降低液态金属基体与增强材料的界面反应速度常数常数K K，或者说与增强材料表面进行界面反应的反应活化，或者说与增强材料表面进行界面反应的反应活化能（能（E E）低的合金元素，以优先与固态材料表面发生界面）低的合金元素，以优先与固态材料表面发生界面反应从而抑止基体金属与增强材料的界面反应。反应从而抑止基体金属与增强材料的界面反应。 通过基体改性来改善增强材料与基体界面润湿性的典型例通过基体改性来改善增强材料与基体界面润湿性的典型例子是子是Al2O3/Al。 根据湿润方程根据湿润方程 ，除提高固相的表面能（，除提高固相的表面能（ ）外，也可以降低液相表面能（外，也可以降低液相表面能（ ），

59、即如加入合金元素降低），即如加入合金元素降低Al液的表面能（液的表面能（ ），就可以改善），就可以改善Al 与与Al2O3界面湿润性。界面湿润性。 一般，加入的合金元素应一般，加入的合金元素应 。v 基体改性改善界面浸润性基体改性改善界面浸润性液态金属表面能与原子体积关系液态金属表面能与原子体积关系液态金属表面能与原子体积关系：液态金属表面能与原子体积关系： 根据液态金属表面能与其原子体积的关系，可以看出：根据液态金属表面能与其原子体积的关系，可以看出： M Al 的元素有许多，如的元素有许多，如Si、 Mg、 Li 、Ca、Bi、Ba、Be 、Zn以及以及Gd、Ce、La、Nd、Sn、Cd、

60、Ge、Pb、In、Hg等。但实际上只等。但实际上只有有Mg、Si、Zn、Li和和Bi可作为可作为Al合金系的合金元素使用。合金系的合金元素使用。例例7：Mg对对Al2O3/Al界面湿润性影响界面湿润性影响 基体中的基体中的Mg可以与可以与Al2O3纤维或颗粒反应，在界面上形纤维或颗粒反应，在界面上形成类似尖晶石结构的成类似尖晶石结构的nMgO.mAl2O3。反应如下：。反应如下： MgAl2O3 MgOAl nMgOmAl2O3 nMgO mAl2O3 而而nMgOmAl2O3可与可与Al和和Al2O3纤维或颗粒类增强材料都纤维或颗粒类增强材料都形成结合性较强的界面。形成结合性较强的界面。 经