sical复合材料界面结合机制的研究现状

sical复合材料界面结合机制的研究现状

由于传统的制造和加工技术可以同时开发和加工，并且可以通过增强的sic这辆原材料成为最具前景的材料之一。复合材料的强化是依靠界面把载荷从基体传到增强体实现的,理想的界面结合可以增加滑移过程中的阻力,从而提高复合材料的机械性能、耐磨性、体积稳定性等。但Al/SiC复合材料还难以达到计算的性能指标,其主要原因之一在于界面结合状态并不理想。关于Al/SiC之间的界面结合已提出了两种机制,直接结合机制和反应结合机制,而反应结合机制又分为界面层有SiO2薄层机制和界面层为Al4C3层机制。本文对Al/SiC体系界面结合机制的研究现状进行综述和讨论。1sic-al的位向关系与性能关于SiC与Al之间的界面直接结合机制又存在两种不同说法,一种认为界面存在扩散现象,另一种则认为界面没有扩散层存在,由于SiC与Al之间存在一定的位向关系而获得高强度结合。1.1界面结合强度早期Arsenault等人通过俄歇探针和X射线能谱分析后,认为SiC/Al复合材料中存在Al通过界面向SiC晶须中的扩散,并且扩散距离远高于计算值,但不存在Si和C向Al液中的扩散。文献证实了SiCw/Al之间无界面层,但有扩散现象存在。而文献在用电子束直径10nm的分析电镜能谱分析SiC/Al界面化学成分的最新研究中,也发现SiC中存在Al元素的化学梯度。但大量分析认为:上述现象是由于SiC在Al液中溶解,形成锯齿状表面,随后Al液渗入SiC缝隙中产生的,并未发现Al向SiC扩散现象。几乎所有研究都认为这种以SiC与Al之间的扩散结合导致高的基体/增强相结合强度[1～8]。基体和增强相表面之间发生电子转移,形成界面原子间的化学键结合,界面化学结合强度取决于键的类型和单位面积键的数量。Arsenault等[7、8]采用半经验方法首次从电子尺度计算了SiC/Al复合材料界面能与界面分开距离之间的关系,结果表明:SiC与铝界面结合强度是铝基体中铝原子结合强度的1.5倍,这与实验结果一致。关于SiC/Al复合材料中基体Al向SiC内部扩散的机理,文献用热力学第二定律来解释,在SiC晶须中由于Al的存在而使其混合熵增加,导致自由能降低,从试验结果所计算出的Al在SiC晶须中扩散激活能恰与Al原子沿着位错通道扩散激活能相符,这表明在复合材料中Al原子沿SiC晶须中的位错扩散到SiC晶须内部。文献已发现在SiC晶须中存在许多不全位错,这为Al原子的扩散提供了通道,并认为这种以扩散结合方式结合的复合材料其界面结合强度高。1.2界面结构模型由于SiC与Al之间存在一定的位向关系而获得高强度结合的研究较多。Greng等人[9、10]的研究指出SiC与6061Al之间存在5种位向关系,大约70%的Al/SiC界面属于这种有一定位向关系的半共格界面,由于这种原子匹配结合导致了高的界面结合强度,同时他们对SiCw/6061Al复合材料断口的扫描电镜和俄歇电子谱仪分析表明在断口处每一个被拨出的晶须表面都盖有一层铝,证实了晶须和基体界面具有良好的结合。曹利等人起初研究发现了SiCw/Al复合材料界面结合良好,界面无任何反应层存在,既没有C和Si通过界面向基体中扩散,也没有Al通过界面向晶须中扩散,成分分析表明SiC晶须与Al基体交互作用的范围不超过50nm,因此提出SiC晶须与其周围的Al基体可能存在某种位向关系,他们后来的研究证实了SiC与基体Al之间至少存在一种匹配关系,这种关系是:{110}SiC‖{110}Al,〈111〉SiC‖〈111〉Al(约差4°),并从金属结晶理论出发分析了这种晶体位向关系的形成原因,认为有这种匹配的SiC/Al复合材料界面属于半共格界面,这种紧密的原子匹配结合导致了SiCw/Al复合材料界面很高的结合强度。这种界面结构模型在挤压SiCw/Al复合材料晶须转动及铝的形变织构研究结果中得到了印证,文献指出:变形Al基复合材料的基体Al中出现了{110}<001>织构,而这种织构在变形铝合金中通常是不存在的,可见SiC晶须有{110}Al‖{110}SiC,<100>Al‖<111>SiC关系的铝合金在随晶须定向排列时发生的伴随变形和转动导致了上述织构的产生。文献认为用热压法制备Al/SiC复合材料时,界面上的非晶相在随后复合材料连续塑性变形中会出现随机的位向关系,在某种情况下可出现特定的位向关系。同时他们针对Al/SiC复合材料中界面有时存在特殊或随机的位向关系而有时又不存在位向关系这一令人困惑现象的研究表明;当基体Al呈熔融状态时,Al/SiC之间的确存在着一种特殊的低能位向关系;[112¯0]SiC∥Al[112¯0]SiC∥Al;(0001)SiC‖(112)Al,他们的实验结果与文献的的研究结果一致。综上所述,几乎所有的研究都认为SiC与Al之间的直接结合机制导致的界面结合强度都是较高的[1～12],其中扩散结合机制研究认为SiC晶须中的位错是Al原子扩散通道,位向结合机制研究则认为SiC晶须与Al的位向关系是在晶须定向排列中实现的,而SiC颗粒增强Al基复合材料则不存在类似的现象,因此对于SiC颗粒增强相与基体Al之间的界面直接结合机制的研究还未报道。值得一提的是:上述研究认为界面直接结合机制得到良好界面结合的SiCw/Al复合材料一般是用压铸法和粉末冶金法制造的,用其它方法制造的直接结合的SiC/Al复合材料界面不一定能得到较高的结合强度,事实上大部分研究指出SiC与Al的润湿性和相容性都比较差。2界面反应的干预感机制2.1al/sic复合材料的晶体结构及反应特性未加保护处理的SiC加入到高温Al液中,极易与Al液发生反应,考虑到SiC表面可能有C,因此,SiC、Al、C可能发生的反应有:3SiC+4Al→Al4C3+3Si⑴3C+4Al→Al4C3⑵Al4C3+SiC→Al4SiC4⑶多数学者认为,在通常的制备温度下,Al/SiC复合材料界面仅有⑴式的界面化学反应发生[17～31]。文献[16、17]从相图的角度分析了该反应的发生:Warren和Andersson根据二元相图合理推导得到Al-Si-C三元相图,Laurent等则通过实验获得Al-Si-C三元相图,而文献[18、19]则对该反应进行热力学和动力学分析,得到了相同的结论。图1是Al-Si-C系液相线在实验成分区的投影图,有两个典型的成分ε和τ,当液相成分达到三元共晶点ε,温度约为849±1K时,反应如下:Al+Si+SiC⇌L⑷在温度为923K液相成分达到τ点时发生三元包晶反应SiC+Al⇌Al4C3+L⑸按照Warren等人提出的Al-Si-C在500℃和800℃时的水平投影图,在500℃时,由纯Al加入SiC形成的复合材料位于(Al4C3+Al+SiC)三相区的边缘,SiC在Al中轻微溶解而形成Al4C3;而在高温(800℃)下,纯Al+SiC的复合材料位于三相区(Al4C3+Al+SiC),SiC溶解与反应同时存在:SiC+Al→SiC+(Si)+Al4C3⑹虽然大量研究证实了在Al/SiC复合材料中⑴式反应的发生,但对于界面反应程度不同研究者又有不同说法。多数学者认为Al/SiC复合材料易发生界面反应可生成一薄层Al4C3,从相图上也可以看出在400℃以上就可以反应生成Al4C3。但部分学者认为实际中只有在580℃等温线以上反应才能以较快速度发生,且得到Al4C3的温度比文献中所述的920℃要低得多,文献甚至认为尽管在Al/SiC复合材料中存在SiC的溶解现象,但由于短时间反应生成的Al4C3极少,用传统的分析方法根本检测不到Al4C3的存在,他们的观点得到了文献的证实。文献通过热力学计算表明在1650K以下Al与SiC反应的自由能变化均大于0,他们认为仅是由于反应产物Si能溶于液态Al中才能发生轻微的界面反应,由于受界面上Si活度的制约,Al4C3的相对组成很小。有少数学者认为在Al/SiC复合材料界面中存在⑵式的反应,但由于受SiC表面游离C含量的制约及C在SiC中极低的扩散系数,⑵式的反应是有限的。另有少数研究认为高温下Al/SiC界面能发生⑶式的反应,已有人用X射线方法鉴定在1023K时Al和NicalonSiC纤维反应1h后的产物中有Al4SiC4,认为反应⑶在该温度以上是可以进行的。2.2c+sic复合材料从对Al/SiC界面反应热力学的研究和Al-C-Si三元相图上[16、17]可看出,降低加工温度可防止上述反应的进行。但低于950℃加工,由于Al不浸润SiC,即使采用压力工艺,复合材料中仍然存在孔隙和夹杂。另一种有效的方法是通过在Al液中加入合金元素来阻止界面反应的进行,由于Si是Al液中常见的元素,也是阻止Al/SiC界面反应最有效的元素,因此对它的阻止界面反应作用研究较多。从Warren等人提出的Al-Si-C在500℃和800℃的水平投影图上可以看出,加入一定量的Si到基体合金中,使Al/SiC复合材料处于L(Al)+SiC的二相区,可以有效地减少Al4C3的生长,这与文献[24～26]的实验结果一致。在Al液中加Si可使Al/SiC之间生成Al4C3的化学反应得到有效的控制并明显影响化学反应的速度,反应式⑴的反应平衡常数为:K=αAl4C3×α3Siα3SiC×α4AlΚ=αAl4C3×αSi3αSiC3×αAl4。通过热力学理论计算和实验分析可得到避免Al4C3形成的临界Si浓度值,在温度低于1000℃时,理论值和实验值吻合得较好,在较高温度下,当Al液中Si含量超过12%时,理论计算和实验分析得到的临界Si浓度差异较大,数据分散的原因是由于很难通过实验确定Si的活度及C的活度,简化的热力学计算忽略Al活度的变化或者忽略与三元液态溶液相应的过剩自由能导致的总误差,使预测值比实验值高。其它的阻止Al/SiC界面反应的合