第六章金属基复合材料的界面及其表征

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1、第6章金属基复合材料的界面及其优化设计江苏大学材料科学与工程学院10/18/202116.1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，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——界面相（界面层）。它是增强相和基体相连接的“纽带”，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，其结构与性能直接影响金属基复合材料的性能。10/18/20212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

2、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。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，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、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10/18/20213根据上面的三

3、种结合力，金属基复合材料中的界面结合可以分为六种界面的结合力有三类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面和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越大，基体收缩越大、摩擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。6.2.1界面的结合机制10/18/20214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，由粗糙的增强物表面及基体的收缩产生的摩擦力完

4、成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解而产生的一种结合形式反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而产生的一种结合形式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这种结合实际上是反应结合的一种特殊情况混合结合这种结合是最重要、最普遍的结合形式之一，因为在实际的复合材料中经常同时存在几种结合形式10/18/202156.2.2界面分类及界面模型6.2.2.1界面分类上述几种金属基复合材料

5、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）可以分成I、Ⅱ、Ⅲ三种类型：I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）；Ⅱ型界面表示增强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）；Ⅲ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）。见表6-1所示。10/18/20216表6-1中伪Ⅰ型（pseudo-classⅠsystem）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生化学反应，但基体金属的

6、氧化膜阻止反应的进行。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，属于Ⅰ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Ⅲ型界面。具有伪I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），而不宜采用液态浸渗法，以免变为Ⅲ型界面而损伤增强体。表6-1金属基复合材料体系的界面类型界面类型体系Ⅰ型C/Cu，W/Cu，Al2O3/Cu，Al2O3/Ag，B(BN)/Al，，B/Al①，SiC/Al①，不锈钢/Al①Ⅱ型W/Cu

7、(Cr)，W/Nb，C/Ni②，V/Ni②，共晶体③Ⅲ型W/Cu(Ti)，C/Al(>100℃)，Al2O3/Ti，B/Ti，SiC/Ti，Al2O3/Ni，SiO2/Al，B/Ni，B/Fe，B/不锈钢注：①表示伪Ⅰ型界面；②该体系在低温下生成Ni4V；③当两组元溶解度极低时划为Ⅰ类。10/18/20217Petrasek和Weeton对W/Cu复合材料界面的研究结果表明，在基体铜中加入不同合金元素，会出现四种不同的界面情况Wf/Cu（Cr、Nb）系。合金元素（Cr、Nb）向W丝中扩散、溶解并合

8、金化，形成W（Cr、Nb）固溶体。此种情况对复合材料性能影响不大Wf/Cu（Co、Al、Ni）系。由于基体中的合金元素（Co、Al、Ni）向W丝中扩散导致其再结晶温度下降，使W丝外表面晶粒因再结晶而粗大，结果导致W丝变脆。Wf/Cu系。在W丝周围未发生W与Cu的相互溶解，也未发生相互间的化学反应。Wf/Cu（Ti、Zr）系。W与合金元素Ti与Zr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。10/18/202186.2.2.2界面模型在早期的研究中，将复合材料界面抽象为：