1、随着现代科学技术的飞速发展，人们随着现代科学技术的飞速发展，人们越来越高。越来越高。在在方面，不但要求方面，不但要求强度高强度高，还，还要求其要求其重量要轻重量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。正是为了满足上述要求正是为了满足上述要求而诞生的。而诞生的。第七章第七章 金属基复合材料界面金属基复合材料界面n金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。n常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。l作为增强体
2、的连续纤作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、SiC和和C纤维；纤维；Al2O3纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的形式用于形式用于MMC中。中。第七章第七章 金属基复合材料界面金属基复合材料界面n金属基粒子复合材料又称金属基粒子复合材料又称金属陶瓷，是由钛、镍、金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。等组成的非均质材料。n碳化物金属陶瓷作为工具碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作材料已被广泛应用，称作硬质合金。硬质合金通常硬质合金。硬质合金通常以以Co、Ni作为粘结剂，作为粘结剂，W
3、C、TiC等作为强化相。等作为强化相。硬质合金组织硬质合金组织(Co+WC)n硬质合金主要有钨钴硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛和钨钴钛(YT)两类。牌号中，两类。牌号中，YG后的数字为含后的数字为含Co量，量，YT后的数字为碳化后的数字为碳化钛含量。钛含量。n硬质合金硬度极高，硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在一般做成刀片，镶在刀体上使用。刀体上使用。硬质合金模具硬质合金模具硬质合金轴承刀具硬质合金轴承刀具以金属或合金为基体的复合材料。以金属或合金为基体的复合材料。增强物主要有高性能增强纤维、晶须、颗粒等为增强物主要有高性能增强纤维、晶须、颗粒等为
4、增强体增强体;基体基体:铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热金属基、金属间化合物等复合材料。镍基、耐热金属基、金属间化合物等复合材料。目前以目前以铝基、镁基、钛基铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟。复合材料发展较为成熟。高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性好、高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性好、高导热导电性、低膨胀、高阻尼、耐磨性。用于高导热导电性、低膨胀、高阻尼、耐磨性。用于高性能结构件、电子、仪器、汽车等工业。高性能结构件、电子、仪器、汽车等工业。金属基复合材料金属基复合材料MMCn MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和虽强度
5、和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了限制了MMC的应用范围。的应用范围。航天飞机内航天飞机内MMC(Al/B纤维纤维)桁架桁架1.金属基复合材料（MMC)界面类型金属基复合材料（MMC)界面类型界面平整；分子层厚度；除原组成外不含其它物质界面为原组成物质构成的犬牙交错的溶解扩散界面界面有亚微米级择优的界面反应物层7.1MMC界面结合形式分五种：（1）机械结合无化学作用的I类界面，作用力为粗糙表面的机械铆合和基体的收缩应力包紧纤维产生的摩擦结合。基体纤维机械结合界面示意图特点（1）界面粗糙度对结合力起决定作
6、用，因此，表面刻蚀的增强体比光滑表面构成的复合材料强度大2-3倍。（2）载荷平行于界面时承担的应力大，而垂直与界面时承担的应力非常小2.MMC的界面结合及制造工艺条件对结合的影响II类结合的特点：作用力短，只有几个原子距离；增强体存在氧化物膜，使增强体与基体不润湿，需要破坏氧化物层才能使增强体与基体润湿并产生一定的结合力；在增强体表面能很小时，采用表面镀层处理（如CVD)使两相之间的接触角小于90，产生润湿，形成一定的结合作用力。（3）反应结合形成类界面其特征是在界面上生成新的化合物层。(4l氧化结合 这是-种特殊的化学反应结合，因为它是增强体表面吸附的空气所带来的氧化作用 O2 Al B纤维
7、 BO2 B +Al2O3（5）混合结合（2）溶解和润湿结合II类结合BTiTiB2 (1)物理不稳定因素a.不稳定因素主要表现为增强体与基体在高温条件下发生溶解不稳定因素主要表现为增强体与基体在高温条件下发生溶解现象。现象。钨丝增强镍基合金,在1100左右使用50小时，则钨丝直径仅为原来的60b.界面上的溶解作用有时还会出现先溶解又析出的现象。界面上的溶解作用有时还会出现先溶解又析出的现象。溶解又析出的过程可使增强体的聚集态形貌和结构发生变化。见下面示意图：金属基复合材料的主要特点在于它能比树脂基复合材料的使用温度高对金属基复合材料的界面要求：在高温条件，长时间保持稳定。影响MMC界面稳定性
8、两类因素：3.金属基复合材料界面的稳定性图示为碳镍 复合材料经热处理后的形貌和表明碳石墨化的x射线衍射结果 碳纤维增强镍复合材料，在高温下(600以上)碳会先溶入镍，而后又析出，析出的碳都变成石墨结构，同时由于碳变石墨使密度增大留下了空隙，给镍提供渗入碳纤维扩散聚集的地方，结果使碳纤维的强度严重降 低。而且随着温度的提高，镍渗入量的增加，碳纤维强度急剧下降.SEM the fracture surface of a silver-copper alloy reinforced with carbon fibers.化学不稳定因素主要是复合材料在加工工艺和使用过程中发生的界面化学作用所致，包括：
9、连续界面反应连续界面反应；界面交换反应界面交换反应；暂稳态界面连续界面反应：增强体的原子通过界面层向基体扩散或者是基体原子通过界面层向增强体扩散的反应。钛硼纤维MMC界面反应后的形貌(2)化学不稳定因素主要发生在当基体为含有两个或两个以上元素的合金时:第一步:增强体与合金中所有能与之起反应的元素形成一些化合物。因此该元素的化合物将富集于界面层富集于界面层中，同时化合物的元素与基体中的元素不断交换直到平衡。第二步造成在界面层附近界面层附近的合金基体中缺少在化合物中富集的某富集的某元素起反应元素起反应，从而使非界面化合物的其它元素在界面层附近富集起来，这是一个扩散入和排斥出界面层扩散入和排斥出界面
10、层的过程。交换式界面反应的不稳定因素暂稳态界面的变化是一种较少的不稳定因素，一般是由于增强剂表面局部存在氧化物所致。这是在金属基复合材料中这是在金属基复合材料中的的一种。由于一种。由于为为结构，因此结构，因此具有具有良好的良好的，再加之它所具有的，再加之它所具有的、及及等优点，等优点，为其为其在工程上应用在工程上应用创造了有利的条件。创造了有利的条件。制制在在造铝基复合材料造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而时，通常并不是使用纯铝而是是。这主要是由决定于。这主要是由决定于与纯铝相比与纯铝相比，。至于选择何种铝合金做基体，。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中则根据实际中对复合材料的性能需要
11、对复合材料的性能需要来。来。这种复合材料是以这种复合材料是以制造的。由于制造的。由于镍的镍的，因此这种复合材料主要是用于制造，因此这种复合材料主要是用于制造高高温下工作的零部件温下工作的零部件。人们研制人们研制的一个重要目的，即是希望用它来的一个重要目的，即是希望用它来制造制造燃汽轮机的叶片燃汽轮机的叶片，从而进一步，从而进一步提高燃汽轮机的工作温提高燃汽轮机的工作温度度。但目前由于但目前由于及及等问题尚未解决，所以等问题尚未解决，所以还未能取得满意的结果。还未能取得满意的结果。比任何其它的结构材料具有比任何其它的结构材料具有。此外，钛。此外，钛在中温时在中温时比铝合金比铝合金。因此，对飞机结
12、构来说，当速度因此，对飞机结构来说，当速度从亚音速从亚音速提高到提高到超音速超音速时，时，。随着随着速速度的进一步加快度的进一步加快，还需要，还需要，采用，采用更更细长的机冀细长的机冀和和其它冀型其它冀型，为此需要，为此需要，而，而恰可满足这种对材料刚度的要求。恰可满足这种对材料刚度的要求。钛基复合材料中钛基复合材料中最常用的增强体是最常用的增强体是，这是由于，这是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近钛与硼的热膨胀系数比较接近，如下表所示。如下表所示。这里的这里的颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料是指弥散的是指弥散的硬质硬质的复合材料，的复合材料，而不包括那种而不包括那种很低的弥散很低的弥散强化金属。
13、强化金属。此外，此外，颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料的的一般大于一般大于1um。在这种复合材料中，在这种复合材料中，是主要的是主要的承载相承载相，而，而的作用则在于的作用则在于和和。虽然虽然颗粒复合材料颗粒复合材料的的通常取决于通常取决于、和和，但是基体性，但是基体性能也很重要。能也很重要。除此以外，这种材料的性能还对除此以外，这种材料的性能还对及及十分敏感。十分敏感。这种复合材料是指这种复合材料是指，含有，含有重复排列的重复排列的、片层状增强物片层状增强物的复合材料。的复合材料。层状复合材料的层状复合材料的和和比较接近，而与比较接近，而与晶须或纤维类晶须或纤维类差别较大。差别较大。因为因为
14、相当相当于结构件的大小于结构件的大小，因此，因此可以可以成为成为长度和构件相同的长度和构件相同的。由于由于不如不如纤维增强相纤维增强相高高，因此，因此层状结构复合材料的强度层状结构复合材料的强度受到了受到了限制。限制。然而，在然而，在增强平面的各个方向增强平面的各个方向上，上，这，这与与纤维单向增强的复合材料相比纤维单向增强的复合材料相比具有明显具有明显的优越性。的优越性。金属基复合材料中的纤维金属基复合材料中的纤维可分为可分为、和和，它，它们均属于们均属于。因此，因此，由纤维增强的复合材料由纤维增强的复合材料均表现均表现出明显的出明显的特征。特征。7.3 金属基复合材料的界面表征复合材料的性
15、能与界面性质紧密相关界面结合状态微结构特征应力状态界面的相组成和微结构界面区的成分及其分布近界面基体一侧的位错密度及其分布界面微区形貌结构和成分分析的手段分析电镜（AEM),在获得高分辨率图像(0.3nm)进行微束电子衍射测定结构x 射线能谱(EDS)电子能量损失谱(EELS)对2040nm的微区进行成分(包括轻 元素)分析和研究原子的键合状态，因而是分析界面的强有力工具左图为横跨整个界面的线扫描 A:Ti 高 C、Si 低 B：Ti、Si升高，降低C Ti、Si、C升高，SEM观测到TiC，Ti5Si3D Ti、C高，Si 0 TiCE SiCTi6Al4V合金SiCSiC/Ti-6Al-4
16、V复合材料界面AE金属基复合材料的界面形貌、结构成分左图：SiC/Ti-6Al-4V复合材料界面不同部分的俄歇电子能谱“1”Ti6Al4V合金；“2”TiSi化合物“3”TiC;“4”SiC界面区的位错分布Gv/Al复合材料中界面附近区域的位错组态图像(a)明场像 (b)弱束暗场像 界面区近基体侧的位错分布是界面层表征的重点之一界面良好的结合下，增强体与基体热膨胀系数的明显差异，将导致界面处产生位错，且多集中在近基体侧高压电镜对Al/SiCw复合材料界面观察热循环开始340 k,在SiC晶须和析出相周围有较多的位错经过810 k退火后位错大部分消失a.冷却430 k位错重新大量产生 a 不良结合 b 结合适中 c结合稍强d结合过强C/Al MMC不同结合状态下的断口形貌不同结合状态下的断口形貌
