復(fù)合材料概論第6章--金屬基復(fù)合材料.

1、第六章第六章 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料（Metallic Matrix Composites）主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、基本概念和分類一、基本概念和分類二、金屬基體二、金屬基體三、金屬基復(fù)合材料的性能特征三、金屬基復(fù)合材料的性能特征四、金屬基復(fù)合材料的界面及優(yōu)化四、金屬基復(fù)合材料的界面及優(yōu)化五、金屬基復(fù)合材料的制備工藝五、金屬基復(fù)合材料的制備工藝六、鋁基復(fù)合材料六、鋁基復(fù)合材料七、鎂基復(fù)合材料七、鎂基復(fù)合材料八、鈦基復(fù)合材料八、鈦基復(fù)合材料九、鎳基復(fù)合材料九、鎳基復(fù)合材料一、基本概念和分類一、基本概念和分類金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱M

2、MCs） 以金屬或合金為基體，以高性能的纖維、晶須、晶片和以金屬或合金為基體，以高性能的纖維、晶須、晶片和顆粒為增強(qiáng)體，通過(guò)適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝而制成的復(fù)合材料。顆粒為增強(qiáng)體，通過(guò)適當(dāng)?shù)膹?fù)合工藝而制成的復(fù)合材料。 按照所用的基體金屬的不同，使用溫度范圍為按照所用的基體金屬的不同，使用溫度范圍為3501200，其特，其特點(diǎn)在力學(xué)方面為橫向及剪切強(qiáng)度較高，韌性及疲勞等綜合力學(xué)性能較好，點(diǎn)在力學(xué)方面為橫向及剪切強(qiáng)度較高，韌性及疲勞等綜合力學(xué)性能較好，同時(shí)還僅有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、熱膨脹系數(shù)小、阻尼性好、不吸濕、不同時(shí)還僅有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、熱膨脹系數(shù)小、阻尼性好、不吸濕、不老化和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。老化和無(wú)污染等

3、優(yōu)點(diǎn)。1 1、定義、定義2 2、分類、分類增強(qiáng)體增強(qiáng)體基體基體特性特性長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料短纖維短纖維(晶須晶須)增強(qiáng)復(fù)合增強(qiáng)復(fù)合材料材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料層狀復(fù)合材料層狀復(fù)合材料Al基復(fù)合材料基復(fù)合材料Mg基復(fù)合材料基復(fù)合材料Ti基復(fù)合材料基復(fù)合材料Cu基復(fù)合材料基復(fù)合材料Ni基復(fù)合材料基復(fù)合材料金屬間化合物基金屬間化合物基復(fù)合材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料的分類金屬基復(fù)合材料的分類按增強(qiáng)體類型分類按增強(qiáng)體類型分類二、金屬基體二、金屬基體金屬基體具有很多優(yōu)良性能：金屬基體具有很多優(yōu)良性能：使用性能使用性能反映金屬材料在

4、使用過(guò)程中所表現(xiàn)出反映金屬材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的性能，包括力學(xué)性能、物理及化學(xué)性能。來(lái)的性能，包括力學(xué)性能、物理及化學(xué)性能。工藝性能工藝性能反映金屬在加工制造過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)反映金屬在加工制造過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性能，包括鑄造、壓力加工、焊接、切削加工和熱的性能，包括鑄造、壓力加工、焊接、切削加工和熱處理等性能。處理等性能。 這些性能與金屬的成分、組織和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這些性能與金屬的成分、組織和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。1 1、選擇金屬基體的原則、選擇金屬基體的原則目前用作金屬基復(fù)合材料的金屬有目前用作金屬基復(fù)合材料的金屬有鋁鋁及鋁合金、及鋁合金、鎂鎂合合金、金、鈦鈦合金、合金、鎳鎳合金、合金、銅銅與銅合

5、金、與銅合金、鋅鋅合金、鉛、鈦鋁、合金、鉛、鈦鋁、鎳鋁鎳鋁金屬間化合物金屬間化合物等。等?；w材料成分的選擇對(duì)能否基體材料成分的選擇對(duì)能否充分組合和發(fā)揮金屬基體充分組合和發(fā)揮金屬基體和增強(qiáng)體性能特點(diǎn)和增強(qiáng)體性能特點(diǎn)，獲得預(yù)期的，獲得預(yù)期的優(yōu)異綜合性能優(yōu)異綜合性能，滿足使用，滿足使用要求十分重要。要求十分重要。 金屬基復(fù)合材料的使用要求金屬基復(fù)合材料的使用要求 金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的金屬基復(fù)合材料構(gòu)件的使用性能要求是選擇金屬基使用性能要求是選擇金屬基體材料最重要的依據(jù)體材料最重要的依據(jù)。v 航天、航空領(lǐng)域：航天、航空領(lǐng)域：高比強(qiáng)度和比模量高比強(qiáng)度和比模量以及以及尺寸穩(wěn)定性尺寸穩(wěn)定性是最重是最重要的

6、性能要求。作為飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合要的性能要求。作為飛行器和衛(wèi)星的構(gòu)件宜選用密度小的輕金屬合金金鎂合金和鋁合金作為基體，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖鎂合金和鋁合金作為基體，與高強(qiáng)度、高模量的石墨纖維、硼纖維等組成石墨維等組成石墨/ /鎂、石墨鎂、石墨/ /鋁、硼鋁、硼/ /鋁復(fù)合材料。鋁復(fù)合材料。v 火箭、飛機(jī)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)：火箭、飛機(jī)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)：要求復(fù)合材料不僅有要求復(fù)合材料不僅有高比高比強(qiáng)度強(qiáng)度和和比模量比模量，還要具有優(yōu)良的，還要具有優(yōu)良的耐高溫耐高溫性能，能在高溫、氧化性氣氛性能，能在高溫、氧化性氣氛中正常工作。此時(shí)不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇鈦合金、鎳中

7、正常工作。此時(shí)不宜選用一般的鋁、鎂合金，而應(yīng)選擇鈦合金、鎳合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅合金以及金屬間化合物作為基體材料。如碳化硅/ /鈦、鎢絲鈦、鎢絲/ /鎳基超合鎳基超合金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。金復(fù)合材料可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)軸等重要零件。v 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)：要求其零件要求其零件耐熱、耐磨、導(dǎo)熱耐熱、耐磨、導(dǎo)熱、一定的高溫強(qiáng)、一定的高溫強(qiáng)度等，同時(shí)又要求度等，同時(shí)又要求成本低廉成本低廉，適合于批量生產(chǎn)，因此選用鋁合金作基，適合于批量生產(chǎn)，因此選用鋁合金作基體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）體材料與陶瓷顆粒、短纖維組成顆粒（短纖維）/ /

8、鋁基復(fù)合材料。如碳鋁基復(fù)合材料。如碳化硅化硅/ /鋁復(fù)合材料、碳纖維或氧化鋁纖維鋁復(fù)合材料、碳纖維或氧化鋁纖維/ /鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動(dòng)機(jī)活鋁復(fù)合材料可制作發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸套等零件。塞、缸套等零件。v 電子工業(yè)：電子工業(yè)：集成電路基板和元件需要集成電路基板和元件需要高導(dǎo)熱、低高導(dǎo)熱、低膨脹、具有一定耐熱性膨脹、具有一定耐熱性的金屬基復(fù)合材料。的金屬基復(fù)合材料。 選用具有高導(dǎo)熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導(dǎo)熱性、低選用具有高導(dǎo)熱率的銀、銅、鋁等金屬為基體與高導(dǎo)熱性、低熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有熱膨脹的超高模量石墨纖維、金剛石纖維、碳化硅顆粒復(fù)合成具有低熱膨脹系數(shù)和

9、高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、高比模量等性能的金屬基復(fù)低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱率、高比強(qiáng)度、高比模量等性能的金屬基復(fù)合材料，可能成為解決高集成電子器件的關(guān)鍵材料。合材料，可能成為解決高集成電子器件的關(guān)鍵材料。 金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)v 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料：連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料： 纖維是主要承載物體纖維是主要承載物體，纖維本身具有很高的強(qiáng)度和模量，而金屬基，纖維本身具有很高的強(qiáng)度和模量，而金屬基體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維?；w的主要作用應(yīng)是體的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維?；w的主要作用應(yīng)是以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖以充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能為主維的性能為主，基體本身應(yīng)有良好的，基體本身應(yīng)有

10、良好的塑性，塑性，與纖維應(yīng)有與纖維應(yīng)有良好的相容性良好的相容性，而而并不要求并不要求基體本身有很高的強(qiáng)度?；w本身有很高的強(qiáng)度。 如在如在Cf/Al基復(fù)合材料中，純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基基復(fù)合材料中，純鋁或含有少量合金元素的鋁合金作為基體比高強(qiáng)度鋁合金要好得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。體比高強(qiáng)度鋁合金要好得多，使用后者制成的復(fù)合材料的性能反而低。這與基體和纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有關(guān)。這與基體和纖維的界面狀態(tài)、脆性相的存在、基體本身的塑性有關(guān)。 金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)取決于金屬基復(fù)合材料組成特點(diǎn)取決于增強(qiáng)體的形態(tài)增強(qiáng)體的形態(tài)、不不同的受力特點(diǎn)同的受力

11、特點(diǎn)等，應(yīng)根據(jù)不同的組成特點(diǎn)來(lái)選擇金屬等，應(yīng)根據(jù)不同的組成特點(diǎn)來(lái)選擇金屬基體?；w。v 非連續(xù)增強(qiáng)體（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)非連續(xù)增強(qiáng)體（顆粒、晶須、短纖維）金屬基復(fù)合材料合材料 基體是主要承載物基體是主要承載物，基體的強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料具有決定，基體的強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料具有決定性的影響性的影響，因此要獲得高性能金屬基復(fù)合材料，因此要獲得高性能金屬基復(fù)合材料，必須選必須選用高強(qiáng)度金屬或合金作為基體用高強(qiáng)度金屬或合金作為基體，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬，這與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體的選擇完全不同。如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)基復(fù)合材料中基體的選擇完全不同。如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料一般選用高強(qiáng)度鋁合金（如合材料

12、一般選用高強(qiáng)度鋁合金（如A365A365，60616061，70757075）為基體。為基體。 基體金屬與增強(qiáng)體的相容性基體金屬與增強(qiáng)體的相容性v 由于復(fù)合材料中包含基體和增強(qiáng)體，要使組分間具有由于復(fù)合材料中包含基體和增強(qiáng)體，要使組分間具有良好的配合，則這兩相之間必須具有良好的良好的配合，則這兩相之間必須具有良好的物理相容物理相容性性（浸潤(rùn)性、熱匹配）和（浸潤(rùn)性、熱匹配）和化學(xué)相容性化學(xué)相容性（形成合適的、（形成合適的、穩(wěn)定的界面，避免有害的化學(xué)反應(yīng)）。穩(wěn)定的界面，避免有害的化學(xué)反應(yīng)）。v 具體措施：具體措施： 對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行表面處理表面處理 在金屬基體中在金屬基體中添加其他合金元素

13、添加其他合金元素 選擇適宜的選擇適宜的成型方法成型方法 縮短材料在縮短材料在高溫下的停留時(shí)間高溫下的停留時(shí)間等。等。2 2、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體、結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的基體分為輕金屬基體輕金屬基體和和耐熱合金基體耐熱合金基體 用于用于450以下的輕金屬基體以下的輕金屬基體 目前最廣泛、最成熟的鋁基和鎂基復(fù)合材料，用于航天飛機(jī)、人目前最廣泛、最成熟的鋁基和鎂基復(fù)合材料，用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、剎車盤(pán)等造衛(wèi)星、空間站、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、剎車盤(pán)等 。 用于用于450700的復(fù)合材料的金屬基體的復(fù)合材料的金屬基體 鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)

14、度高等特點(diǎn)，可在鈦合金具有比重輕、耐腐蝕、耐氧化、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可在450450700700使用，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件。使用，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件。 用于用于1000以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體以上的高溫復(fù)合材料的金屬基體 基體主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基體主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物。較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階段。基、鐵基高溫合金，金屬間化合物基復(fù)合材料尚處于研究階段。3 3、功能復(fù)合材料的基體、功能復(fù)合材料的基體v 要求材料和器件具有優(yōu)良的要求材料和器件具有優(yōu)良的綜合物理性能綜合物理性能，如同時(shí)具如同時(shí)具有有高力

15、學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗高力學(xué)性能、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、高導(dǎo)電率、高抗電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。電弧燒蝕性、高摩擦系數(shù)和耐磨性等。v 單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要單靠金屬與合金難以具有優(yōu)良的綜合物理性能，而要靠?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)靠?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)將金屬與增強(qiáng)體做成復(fù)合將金屬與增強(qiáng)體做成復(fù)合材料來(lái)滿足需求。材料來(lái)滿足需求。 用于用于電子封裝電子封裝的金屬基復(fù)合材料有：高碳化硅顆粒含量的金屬基復(fù)合材料有：高碳化硅顆粒含量的鋁基、銅基復(fù)合材料，高模、超高模石墨纖維增強(qiáng)鋁的鋁基、銅基復(fù)合材料，高模、超高模石墨纖維增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料，金剛石顆?；蚨嗑?/p>

16、金剛石纖維增強(qiáng)基、銅基復(fù)合材料，金剛石顆粒或多晶金剛石纖維增強(qiáng)鋁基、銅基復(fù)合材料，硼鋁基、銅基復(fù)合材料，硼/鋁基復(fù)合材料等，其基體主要鋁基復(fù)合材料等，其基體主要是純鋁和純銅。是純鋁和純銅。用于用于耐磨耐磨零部件的金屬基復(fù)合材料有：碳化硅、氧化鋁、零部件的金屬基復(fù)合材料有：碳化硅、氧化鋁、石墨顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金石墨顆粒、晶須、纖維等增強(qiáng)鋁、鎂、銅、鋅、鉛等金屬及其合金的金屬基復(fù)合材料。屬及其合金的金屬基復(fù)合材料。用于用于集電和電觸頭集電和電觸頭的金屬基復(fù)合材料有：碳（石墨）纖的金屬基復(fù)合材料有：碳（石墨）纖維或顆粒、金屬絲、陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁、銅、銀及合金等維或顆粒、金屬絲

17、、陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁、銅、銀及合金等金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料。三、金屬基復(fù)合材料的性能特征三、金屬基復(fù)合材料的性能特征 金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選的金屬或合金基體和金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選的金屬或合金基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。通過(guò)優(yōu)化組合可以既發(fā)揮增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。通過(guò)優(yōu)化組合可以既發(fā)揮金屬特性，又具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨等綜金屬特性，又具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨等綜合性能。合性能。其主要的性能特點(diǎn)有：其主要的性能特點(diǎn)有：v 高比強(qiáng)度、比模量高比強(qiáng)度、比模量v 良好的斷裂韌性和抗疲勞性能良好的斷裂韌性和抗疲勞性能v 熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好熱膨

18、脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好v 良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能v 良好的高溫性能良好的高溫性能v 良好的耐磨性與阻尼性良好的耐磨性與阻尼性v 性能再現(xiàn)性及可加工性好性能再現(xiàn)性及可加工性好v 不吸潮、不老化、氣密性好不吸潮、不老化、氣密性好v 高比強(qiáng)度和高比模量高比強(qiáng)度和高比模量 由于在金屬基體中加入了適量的高強(qiáng)度、高模量、低密由于在金屬基體中加入了適量的高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體，明顯地提高了復(fù)合材料度的纖維、晶須、顆粒等增強(qiáng)體，明顯地提高了復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量，特別是高性能連續(xù)纖維的比強(qiáng)度和比模量，特別是高性能連續(xù)纖維B纖維、纖維、C纖纖維、維、SiC纖維等增強(qiáng)

19、體，具有很高的強(qiáng)度和模量。纖維等增強(qiáng)體，具有很高的強(qiáng)度和模量。v 良好的斷裂韌性和抗疲勞性能良好的斷裂韌性和抗疲勞性能 基體中的裂紋頂端的最基體中的裂紋頂端的最大應(yīng)力接近基體的抗拉強(qiáng)度，大應(yīng)力接近基體的抗拉強(qiáng)度，而低于纖維的斷裂應(yīng)力時(shí)，而低于纖維的斷裂應(yīng)力時(shí)，裂紋或在界面擴(kuò)展鈍化，或裂紋或在界面擴(kuò)展鈍化，或因基體的塑性剪切變形而鈍因基體的塑性剪切變形而鈍化，從而改善了材料的斷裂化，從而改善了材料的斷裂韌性。韌性。 金屬基復(fù)合材料相對(duì)與聚合物基、陶瓷基復(fù)合材料具有金屬基復(fù)合材料相對(duì)與聚合物基、陶瓷基復(fù)合材料具有高的高韌性和耐沖擊性能。高的高韌性和耐沖擊性能。v 熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好熱膨脹系

20、數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好 由于增強(qiáng)體由于增強(qiáng)體C纖維、纖維、B纖維、纖維、SiC纖維、晶須、顆粒等均纖維、晶須、顆粒等均具有很小的熱膨脹系數(shù)，又具有很高的模量，特別是高模具有很小的熱膨脹系數(shù)，又具有很高的模量，特別是高模量、超高模量的石墨纖維甚至具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)量、超高模量的石墨纖維甚至具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)選擇不同的金屬基體和增強(qiáng)體，以一定的比例復(fù)合在一起，選擇不同的金屬基體和增強(qiáng)體，以一定的比例復(fù)合在一起，可得到導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好的金屬基可得到導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好的金屬基復(fù)合材料。復(fù)合材料。例：石墨纖維例：石墨纖維/鎂基復(fù)合材料鎂基復(fù)合材料 當(dāng)纖維含量

21、達(dá)到當(dāng)纖維含量達(dá)到48%時(shí)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為時(shí)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為0v良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能金屬基復(fù)合材料導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能比聚合物或者陶瓷基結(jié)金屬基復(fù)合材料導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能比聚合物或者陶瓷基結(jié)構(gòu)好得多。它可以使局部高溫?zé)嵩春图须姾珊芎脭U(kuò)散消構(gòu)好得多。它可以使局部高溫?zé)嵩春图须姾珊芎脭U(kuò)散消除。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可以作為航空航天技術(shù)領(lǐng)除。如碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可以作為航空航天技術(shù)領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)材料，還可以作為空間裝置的熱傳導(dǎo)和散熱器域中的結(jié)構(gòu)材料，還可以作為空間裝置的熱傳導(dǎo)和散熱器面板應(yīng)用。面板應(yīng)用。v良好的高溫性能良好的高溫性能和聚合物基復(fù)合材料相比，和聚合物基

22、復(fù)合材料相比，MMC的物理和力學(xué)性能具的物理和力學(xué)性能具有高溫穩(wěn)定性，即對(duì)溫度變化不敏感，具有較好的高溫性有高溫穩(wěn)定性，即對(duì)溫度變化不敏感，具有較好的高溫性能，可作為在一定高溫下使用的結(jié)構(gòu)材料。能，可作為在一定高溫下使用的結(jié)構(gòu)材料。例子：例子：Cgr/Al基復(fù)合材料在基復(fù)合材料在500高溫下，仍具有高溫下，仍具有600MPa的強(qiáng)的強(qiáng)度，而鋁基體在度，而鋁基體在300時(shí)強(qiáng)度已下降到時(shí)強(qiáng)度已下降到100MPa以下；以下；Wf/耐熱合金，在耐熱合金，在1100/100h下持久強(qiáng)度為下持久強(qiáng)度為207MPa，而基體耐熱合金在同樣條件下的持久強(qiáng)度只有而基體耐熱合金在同樣條件下的持久強(qiáng)度只有48MPa.硼

23、纖維增強(qiáng)鋁在近硼纖維增強(qiáng)鋁在近400 溫度下仍有較好的高溫比強(qiáng)度。溫度下仍有較好的高溫比強(qiáng)度。而硼纖維在增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在室溫時(shí)具有比而硼纖維在增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在室溫時(shí)具有比MMC高的比強(qiáng)度，但在約高的比強(qiáng)度，但在約150 時(shí)，比強(qiáng)度已經(jīng)明顯下降。時(shí)，比強(qiáng)度已經(jīng)明顯下降。v良好耐磨性與阻尼性良好耐磨性與阻尼性由于加入了大量的陶瓷增強(qiáng)體，而陶瓷增強(qiáng)體硬度高、由于加入了大量的陶瓷增強(qiáng)體，而陶瓷增強(qiáng)體硬度高、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，用它們來(lái)增強(qiáng)金屬材料，不僅提高耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，用它們來(lái)增強(qiáng)金屬材料，不僅提高了材料的強(qiáng)度和剛度，也提高了復(fù)合材料的硬度、耐磨性了材料的強(qiáng)度和剛度，也提高了復(fù)合材料

24、的硬度、耐磨性和阻尼性。和阻尼性。例子：例子：SiCp/Al基復(fù)合材料的耐磨性比鋁高出基復(fù)合材料的耐磨性比鋁高出2倍以上，比鑄倍以上，比鑄鐵還好，在汽車、機(jī)械工業(yè)中具有重要的應(yīng)用前景。鐵還好，在汽車、機(jī)械工業(yè)中具有重要的應(yīng)用前景。SiCp/Al復(fù)合材料復(fù)合材料汽車活塞桿（環(huán)）、汽車活塞桿（環(huán)）、剎車盤(pán)剎車盤(pán)v 性能再現(xiàn)性及可加工性好性能再現(xiàn)性及可加工性好金屬材料的特性之一就是性能再現(xiàn)好。金屬材料與其它材料相比，金屬材料的特性之一就是性能再現(xiàn)好。金屬材料與其它材料相比，金屬材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能比較穩(wěn)定，性能可以通過(guò)合金化，金屬材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能比較穩(wěn)定，性能可以通過(guò)合金化，得到精確

25、的控制得到精確的控制。這種特性對(duì)要求高強(qiáng)、高模以及高溫性能的復(fù)合材。這種特性對(duì)要求高強(qiáng)、高模以及高溫性能的復(fù)合材料尤為重要。目前，如何提高料尤為重要。目前，如何提高金屬基體與增強(qiáng)材料之間的結(jié)合性能和金屬基體與增強(qiáng)材料之間的結(jié)合性能和界面控制界面控制，成為提高金屬基復(fù)合材料性能穩(wěn)定性和再現(xiàn)性的關(guān)鍵。，成為提高金屬基復(fù)合材料性能穩(wěn)定性和再現(xiàn)性的關(guān)鍵。MMC可如其它金屬材料一樣，可以借用金屬材料加工成型的方可如其它金屬材料一樣，可以借用金屬材料加工成型的方法來(lái)制備，如法來(lái)制備，如擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合、粉末冶金粉末冶金、鑄造成型鑄造成型等，也可通過(guò)等，也可通過(guò)軋制軋制、拉拉拔拔、擠壓擠壓等金屬材料的壓力加

26、工方法進(jìn)行第二次加工，進(jìn)一步提高復(fù)等金屬材料的壓力加工方法進(jìn)行第二次加工，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的性能。甚至可以進(jìn)行合材料的性能。甚至可以進(jìn)行超塑性加工成型超塑性加工成型。這是。這是PMC、CMC和和C/C復(fù)合材料所不具備的加工性能。復(fù)合材料所不具備的加工性能。v 不吸潮、不老化、氣密性好不吸潮、不老化、氣密性好與聚合物材料相比，與聚合物材料相比，MMC的性能穩(wěn)定、組織致密、的性能穩(wěn)定、組織致密、不會(huì)老化、分解、和吸潮等，也不會(huì)發(fā)生性能的自然退不會(huì)老化、分解、和吸潮等，也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化，在太空中使用也不會(huì)分解出低分子物質(zhì)污染儀器和化，在太空中使用也不會(huì)分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境。環(huán)境。

27、v 制造困難（相對(duì)于純金屬）制造困難（相對(duì)于純金屬）v 難于形成理想的界面難于形成理想的界面v 加工困難加工困難v 價(jià)格昂貴價(jià)格昂貴缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：四、金屬基復(fù)合材料的界面及優(yōu)化四、金屬基復(fù)合材料的界面及優(yōu)化 金屬基復(fù)合材料中金屬基體和增強(qiáng)體之間的界面對(duì)復(fù)合金屬基復(fù)合材料中金屬基體和增強(qiáng)體之間的界面對(duì)復(fù)合材料的性能起著決定性的作用。材料的性能起著決定性的作用。主要考察：主要考察：v 界面類型與界面結(jié)合界面類型與界面結(jié)合v 界面穩(wěn)定性界面穩(wěn)定性v 界面浸潤(rùn)界面浸潤(rùn)v 界面反應(yīng)控制界面反應(yīng)控制1、MMC的界面類型的界面類型（一）（一）MMCMMC的界面類型與界面結(jié)合的界面類型與界面結(jié)合 一般根據(jù)增強(qiáng)材

28、料和基體之間的物理與化學(xué)相容性，一般根據(jù)增強(qiáng)材料和基體之間的物理與化學(xué)相容性，即即界面溶解界面溶解與與界面反應(yīng)界面反應(yīng)來(lái)分類，分為三種類型：來(lái)分類，分為三種類型：v 第第類界面類界面 基體與增強(qiáng)材料界面基體與增強(qiáng)材料界面既不相互反應(yīng)，也不互溶。既不相互反應(yīng)，也不互溶。微觀上界面是平整或光滑，微觀上界面是平整或光滑，而且只有分子層厚度。界而且只有分子層厚度。界面兩側(cè)分別為基體和增強(qiáng)面兩側(cè)分別為基體和增強(qiáng)材料，不含其它物質(zhì)。材料，不含其它物質(zhì)。 如如SiCw/Al的界面。的界面。 增強(qiáng)材料和基體之間相互擴(kuò)散滲透，相互溶解而形成的界面。這增強(qiáng)材料和基體之間相互擴(kuò)散滲透，相互溶解而形成的界面。這類界面

29、往往在增強(qiáng)材料（如纖維）周圍，形成環(huán)狀，界面呈犬牙交錯(cuò)的類界面往往在增強(qiáng)材料（如纖維）周圍，形成環(huán)狀，界面呈犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散層。如溶解擴(kuò)散層。如Cf/Ni基復(fù)合材料的界面屬第基復(fù)合材料的界面屬第類界面，白色的為鎳環(huán)，類界面，白色的為鎳環(huán)，為為Ni擴(kuò)散溶解到擴(kuò)散溶解到Cf，而，而Cf中中C擴(kuò)散到擴(kuò)散到Ni，并發(fā)生結(jié)構(gòu)變化（趨向石墨結(jié)，并發(fā)生結(jié)構(gòu)變化（趨向石墨結(jié)構(gòu)）。構(gòu)）。v 第第IIII類界面類界面(a) (b)Cf/Ni復(fù)合材料界面復(fù)合材料界面 (a) 碳纖維周圍的鎳環(huán)及碳纖維周圍的鎳環(huán)及(b) 碳纖維碳纖維XRD圖圖Bf/Ti-6Al-4V中中TiB2反應(yīng)層反應(yīng)層（850，100h）v 第

30、第IIIIII類界面類界面 基體與增強(qiáng)材料的界面發(fā)生界面反應(yīng)，界面存在有微米基體與增強(qiáng)材料的界面發(fā)生界面反應(yīng)，界面存在有微米和亞微米級(jí)的界面反應(yīng)產(chǎn)物。最典型是和亞微米級(jí)的界面反應(yīng)產(chǎn)物。最典型是Bf/Ti，Cf/Al復(fù)合材復(fù)合材料。在高溫下料。在高溫下 Bf/Ti在界面形成在界面形成TiB2界面反應(yīng)物層。界面反應(yīng)物層。Cf/Al復(fù)合材料中復(fù)合材料中Cf與與Al基體發(fā)生界面反應(yīng)，生成基體發(fā)生界面反應(yīng)，生成Al4C3。Cf/Al的界面反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物的界面反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物Al4C3v 準(zhǔn)準(zhǔn)I類界面類界面出現(xiàn)準(zhǔn)出現(xiàn)準(zhǔn)類界面有兩種情況：類界面有兩種情況： 屬屬類界面中的增強(qiáng)材料與基體，類界面中的增強(qiáng)材料與基

31、體，從熱力學(xué)分析會(huì)可能發(fā)生界面反應(yīng)，從熱力學(xué)分析會(huì)可能發(fā)生界面反應(yīng)，但當(dāng)采用固態(tài)法制備時(shí)，形成但當(dāng)采用固態(tài)法制備時(shí)，形成類界類界面；而當(dāng)采用液態(tài)法制備時(shí)就可能形面；而當(dāng)采用液態(tài)法制備時(shí)就可能形成第成第類界面；類界面； 增強(qiáng)材料的表面未處理，存在有增強(qiáng)材料的表面未處理，存在有吸附的氧，在制備時(shí)也會(huì)與基體產(chǎn)生吸附的氧，在制備時(shí)也會(huì)與基體產(chǎn)生界面反應(yīng)。界面反應(yīng)。 如如SiCf/Al，Bf/Al屬于此類。屬于此類。 為此把這類界面稱之為準(zhǔn)為此把這類界面稱之為準(zhǔn)類界面。類界面。SiCf/Al、B4Cp/Mg復(fù)合材料的準(zhǔn)復(fù)合材料的準(zhǔn)類類界面界面準(zhǔn)準(zhǔn)類界面類界面2、MMC的界面結(jié)合的界面結(jié)合 為使復(fù)合材料具

32、有良好的性能，需要在增強(qiáng)材料和基為使復(fù)合材料具有良好的性能，需要在增強(qiáng)材料和基體之間建立一定的結(jié)合力，只有結(jié)合適中才能使材料呈現(xiàn)體之間建立一定的結(jié)合力，只有結(jié)合適中才能使材料呈現(xiàn)高強(qiáng)度和高塑性。工藝明顯影響高強(qiáng)度和高塑性。工藝明顯影響MMC的界面結(jié)合強(qiáng)度的界面結(jié)合強(qiáng)度。MMC界面結(jié)合形式分為四種：界面結(jié)合形式分為四種：v 機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合 v 浸潤(rùn)與溶解結(jié)合浸潤(rùn)與溶解結(jié)合v 化學(xué)反應(yīng)結(jié)合化學(xué)反應(yīng)結(jié)合v 混合結(jié)合混合結(jié)合v 機(jī)械結(jié)合機(jī)械結(jié)合 第第類界面屬于機(jī)械結(jié)合的界面。界面結(jié)合主要依靠類界面屬于機(jī)械結(jié)合的界面。界面結(jié)合主要依靠增強(qiáng)材料粗糙的表面的機(jī)械增強(qiáng)材料粗糙的表面的機(jī)械“錨固錨固”力和基體

33、的收縮力力和基體的收縮力來(lái)包緊增強(qiáng)材料產(chǎn)生摩擦力而結(jié)合。來(lái)包緊增強(qiáng)材料產(chǎn)生摩擦力而結(jié)合。v 浸潤(rùn)與溶解結(jié)合浸潤(rùn)與溶解結(jié)合 基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生潤(rùn)濕，并伴隨一定的相互溶解基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生潤(rùn)濕，并伴隨一定的相互溶解而產(chǎn)生的一種屬第而產(chǎn)生的一種屬第類界面的結(jié)合。類界面的結(jié)合。v 化學(xué)反應(yīng)結(jié)合化學(xué)反應(yīng)結(jié)合 增強(qiáng)材料與基體界面之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上增強(qiáng)材料與基體界面之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成新的化合物層，也就是第形成新的化合物層，也就是第類界面層，這是類界面層，這是MMC的主要結(jié)合方式。的主要結(jié)合方式。v 混合結(jié)合混合結(jié)合 反映界面的不穩(wěn)定性，可能兩種結(jié)合方式并存。反映界面的不穩(wěn)定性，可能兩

34、種結(jié)合方式并存。MMC在實(shí)際使用中，往往會(huì)存在這種結(jié)合方式。在實(shí)際使用中，往往會(huì)存在這種結(jié)合方式。（二）（二）MMCMMC的界面穩(wěn)定性的界面穩(wěn)定性 MMC主要特點(diǎn)是高溫下性能，要求性能穩(wěn)定性，即主要特點(diǎn)是高溫下性能，要求性能穩(wěn)定性，即能長(zhǎng)時(shí)間在使用溫度下保持其性能的穩(wěn)定性能長(zhǎng)時(shí)間在使用溫度下保持其性能的穩(wěn)定性。界面穩(wěn)定性。界面穩(wěn)定性研究是研究是MMC復(fù)合材料界面優(yōu)化的重要組成部分。通過(guò)界復(fù)合材料界面優(yōu)化的重要組成部分。通過(guò)界面穩(wěn)定性研究，可以幫助選擇合適的基體和增強(qiáng)材料的組面穩(wěn)定性研究，可以幫助選擇合適的基體和增強(qiáng)材料的組分、處理方式，以及制定合理的制備工藝和參數(shù)，避免出分、處理方式，以及制定

35、合理的制備工藝和參數(shù)，避免出現(xiàn)界面不穩(wěn)定性或減少界面不穩(wěn)定性，提高復(fù)合材料性能現(xiàn)界面不穩(wěn)定性或減少界面不穩(wěn)定性，提高復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性。的穩(wěn)定性。影響界面穩(wěn)定性的因素主要有物理因素和化學(xué)因素，即：影響界面穩(wěn)定性的因素主要有物理因素和化學(xué)因素，即：v 界面溶解與析出界面溶解與析出v 界面反應(yīng)界面反應(yīng) 1、界面溶解與析出、界面溶解與析出 界面溶解與析出是影響界面溶解與析出是影響MMC第第類界面穩(wěn)定性的主要類界面穩(wěn)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復(fù)合材料。復(fù)合材料。 界面產(chǎn)生互溶后，受溫度和時(shí)間的影響，界面會(huì)出現(xiàn)不界面產(chǎn)生互溶后，受溫度和時(shí)間的影響，界面會(huì)

36、出現(xiàn)不穩(wěn)定。穩(wěn)定。例如：例如：Wf/Ni中，采用擴(kuò)散結(jié)合制備時(shí)，界面互溶并不嚴(yán)重，中，采用擴(kuò)散結(jié)合制備時(shí)，界面互溶并不嚴(yán)重，但隨著使用溫度的提高和使用時(shí)間的增長(zhǎng)，如在但隨著使用溫度的提高和使用時(shí)間的增長(zhǎng)，如在1100下下經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)50h，Wf的直徑僅為原來(lái)的直徑僅為原來(lái)50，這樣就嚴(yán)重影響了，這樣就嚴(yán)重影響了Wf/Ni復(fù)合材料的使用性能和可靠性。復(fù)合材料的使用性能和可靠性。 有的復(fù)合材料的界面還會(huì)出現(xiàn)先溶解后析出的現(xiàn)象。這有的復(fù)合材料的界面還會(huì)出現(xiàn)先溶解后析出的現(xiàn)象。這種溶解與析出使增強(qiáng)材料的表層聚集形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。種溶解與析出使增強(qiáng)材料的表層聚集形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。例如：例如：Cf/Ni復(fù)

37、合材料，在高溫下復(fù)合材料，在高溫下Cf溶入溶入Ni基體，而后基體，而后C又又在在Ni中析出，析出的中析出，析出的C向石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，體積減小，向石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，體積減小，Cf內(nèi)部?jī)?nèi)部造成孔隙，給造成孔隙，給Ni的擴(kuò)散滲入聚集進(jìn)一步提供了位置。結(jié)果的擴(kuò)散滲入聚集進(jìn)一步提供了位置。結(jié)果隨著隨著Ni的滲入量的增加，形成了的滲入量的增加，形成了Ni環(huán)。環(huán)。Cf/Ni復(fù)合材料高溫力學(xué)性能的變化復(fù)合材料高溫力學(xué)性能的變化 結(jié)果隨著溫度的提高，時(shí)間的增長(zhǎng)，結(jié)果隨著溫度的提高，時(shí)間的增長(zhǎng)，Ni的滲入量的增的滲入量的增加，加，Cf的有效面積急劇減小，增強(qiáng)效果明顯降低，的有效面積急劇減小，增強(qiáng)效果明顯降低，Cf/Ni

38、的的強(qiáng)度明顯下降。強(qiáng)度明顯下降。2、界面反應(yīng)、界面反應(yīng) 界面反應(yīng)是影響具有第界面反應(yīng)是影響具有第類界面的復(fù)合材料界面穩(wěn)類界面的復(fù)合材料界面穩(wěn)定性的化學(xué)因素。增強(qiáng)材料與基體發(fā)生界面反應(yīng)時(shí)，當(dāng)定性的化學(xué)因素。增強(qiáng)材料與基體發(fā)生界面反應(yīng)時(shí)，當(dāng)形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在應(yīng)力作形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在應(yīng)力作用下發(fā)生，引起增強(qiáng)材料的斷裂，從而影響復(fù)合材料性用下發(fā)生，引起增強(qiáng)材料的斷裂，從而影響復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性。界面反應(yīng)的發(fā)生與增強(qiáng)材料和基體的性質(zhì)能的穩(wěn)定性。界面反應(yīng)的發(fā)生與增強(qiáng)材料和基體的性質(zhì)有關(guān)，與反應(yīng)的溫度、時(shí)間有關(guān)。有關(guān)，與反應(yīng)的溫度、時(shí)間有關(guān)。 MMC界面反應(yīng)

39、分為：界面反應(yīng)分為：v 連續(xù)界面反應(yīng)；連續(xù)界面反應(yīng)；v 交換式界面反應(yīng)；交換式界面反應(yīng)；v 暫穩(wěn)態(tài)界面變化。暫穩(wěn)態(tài)界面變化。v 連續(xù)界面反應(yīng)連續(xù)界面反應(yīng) MMC在在制備過(guò)程中，或在熱處理過(guò)程，也可在高溫使制備過(guò)程中，或在熱處理過(guò)程，也可在高溫使用過(guò)程，增強(qiáng)材料與基體的界面反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。連續(xù)界面用過(guò)程，增強(qiáng)材料與基體的界面反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。連續(xù)界面反應(yīng)可以反應(yīng)可以發(fā)生在基體或增強(qiáng)材料一側(cè)，也可以在基體和增發(fā)生在基體或增強(qiáng)材料一側(cè)，也可以在基體和增強(qiáng)材料界面上同時(shí)進(jìn)行。強(qiáng)材料界面上同時(shí)進(jìn)行。 影響影響MMC連續(xù)界面反應(yīng)的因素主要有溫度、時(shí)間。反連續(xù)界面反應(yīng)的因素主要有溫度、時(shí)間。反應(yīng)的量會(huì)隨溫度的變化

40、和時(shí)間的長(zhǎng)短發(fā)生變化。這類界面應(yīng)的量會(huì)隨溫度的變化和時(shí)間的長(zhǎng)短發(fā)生變化。這類界面反應(yīng)的典型如反應(yīng)的典型如Cf/Ni、Bf/Ti、Cf/Al以及以及SiCf/Ti等。等。Bf/Ti-6Al-4V，經(jīng)，經(jīng)850100h后界面反應(yīng)后界面反應(yīng) Bf/Ti-6Al-4V的連續(xù)界面反應(yīng)，一般是發(fā)生在的連續(xù)界面反應(yīng)，一般是發(fā)生在Bf一側(cè)。一側(cè)。Bf表面表面B原子通過(guò)界面層向原子通過(guò)界面層向Ti基體擴(kuò)散（在基體擴(kuò)散（在Bf內(nèi)部留下空內(nèi)部留下空洞），并與洞），并與Ti反應(yīng)生成反應(yīng)生成TiB2界面反應(yīng)產(chǎn)物。在一定溫度和界面反應(yīng)產(chǎn)物。在一定溫度和時(shí)間條件下，界面反應(yīng)是連續(xù)進(jìn)行的。時(shí)間條件下，界面反應(yīng)是連續(xù)進(jìn)行的。例

41、例1：Bf/Ti-6Al-4V連續(xù)界面反應(yīng)連續(xù)界面反應(yīng)各種溫度下的各種溫度下的Bf/Ti的界面反應(yīng)物厚度的界面反應(yīng)物厚度與時(shí)間的關(guān)系與時(shí)間的關(guān)系 Bf/Ti的界面反應(yīng)受擴(kuò)的界面反應(yīng)受擴(kuò)散過(guò)程控制，界面反應(yīng)層散過(guò)程控制，界面反應(yīng)層厚度（厚度（X）與反應(yīng)時(shí)間的）與反應(yīng)時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系，即：平方根呈線性關(guān)系，即：其中，其中，K為反應(yīng)速度常為反應(yīng)速度常數(shù)；數(shù)；t為反應(yīng)時(shí)間（為反應(yīng)時(shí)間（s）例例2：Bf/Ti界面反應(yīng)與溫度及時(shí)間關(guān)系界面反應(yīng)與溫度及時(shí)間關(guān)系tKX 不同不同Cf/Al界面反應(yīng)界面反應(yīng) a)反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)物Al4C3量隨熱處理溫度的變化量隨熱處理溫度的變化以及以及 b)對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的

42、影響對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響 Cf/Al的連續(xù)界面反應(yīng)，根據(jù)微觀觀察界面反應(yīng)產(chǎn)物出的連續(xù)界面反應(yīng)，根據(jù)微觀觀察界面反應(yīng)產(chǎn)物出現(xiàn)的位置，以及現(xiàn)的位置，以及Cf表面變化情況，說(shuō)明界面反應(yīng)是發(fā)生在表面變化情況，說(shuō)明界面反應(yīng)是發(fā)生在Al基體一側(cè)。而且與溫度有明顯的關(guān)系。基體一側(cè)。而且與溫度有明顯的關(guān)系。例例3：Cf/Al連續(xù)界面反應(yīng)連續(xù)界面反應(yīng)例例4：SiCf/Ti連續(xù)界面反應(yīng)連續(xù)界面反應(yīng) SiCf/Ti連續(xù)界面反應(yīng)發(fā)生在增連續(xù)界面反應(yīng)發(fā)生在增強(qiáng)材料與基體界面兩側(cè)。并且界強(qiáng)材料與基體界面兩側(cè)。并且界面反應(yīng)產(chǎn)物也與面反應(yīng)產(chǎn)物也與Si、C和和Ti的原子的原子擴(kuò)散速度有關(guān)。擴(kuò)散速度有關(guān)。 SiCf/Ti連續(xù)界面

43、反應(yīng)產(chǎn)物在界連續(xù)界面反應(yīng)產(chǎn)物在界面上靠面上靠Ti基體一側(cè)為基體一側(cè)為SimTin化物，化物，中間是中間是TiSiC化合物，而靠化合物，而靠SiCf一一側(cè)是側(cè)是TiC。SiCf/Ti-6Al-4V的界面的界面不同位置俄歇電子能譜線掃描不同位置俄歇電子能譜線掃描SiCfTiBf/Ti-6Al-4V界面交換反應(yīng)示意圖界面交換反應(yīng)示意圖v 交換式界面反應(yīng)交換式界面反應(yīng) 當(dāng)增強(qiáng)材料含有兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形當(dāng)增強(qiáng)材料含有兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物后，反應(yīng)產(chǎn)物還會(huì)與其他基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界成反應(yīng)產(chǎn)物后，反應(yīng)產(chǎn)物還會(huì)與其他基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的

44、不穩(wěn)定。例如硼纖維增強(qiáng)含鋁較高的鈦合金（面的不穩(wěn)定。例如硼纖維增強(qiáng)含鋁較高的鈦合金（Ti-8Al-1Mo-1V),在在硼纖維和基體界面上會(huì)發(fā)生交換反應(yīng)。硼纖維和基體界面上會(huì)發(fā)生交換反應(yīng)。 Ti(Al)B (Ti, Al)B2 (Ti, Al)B2 Ti TiB2 Ti(Al) 即界面先反應(yīng)生成即界面先反應(yīng)生成(Ti,Al)B2界面反界面反應(yīng)產(chǎn)物，該產(chǎn)物可能與應(yīng)產(chǎn)物，該產(chǎn)物可能與Ti繼續(xù)進(jìn)行交繼續(xù)進(jìn)行交換反應(yīng)生成換反應(yīng)生成TiB2和和Ti(Al)。這樣，界。這樣，界面反應(yīng)物中的鋁又會(huì)重新聚集與基體面反應(yīng)物中的鋁又會(huì)重新聚集與基體合金一側(cè)。合金一側(cè)。SiCf/Al、B4Cp/Mg的暫穩(wěn)態(tài)界面的暫穩(wěn)

45、態(tài)界面v 暫穩(wěn)態(tài)界面的變化暫穩(wěn)態(tài)界面的變化 一般由于增強(qiáng)材料表面局部氧化造成。比如硼纖維增強(qiáng)鋁，由于硼一般由于增強(qiáng)材料表面局部氧化造成。比如硼纖維增強(qiáng)鋁，由于硼纖維上吸附有氧，并生成纖維上吸附有氧，并生成BO2。由于鋁的活性強(qiáng)，可以還原。由于鋁的活性強(qiáng)，可以還原BO2，生成，生成Al2O3，這種界面結(jié)合稱為氧化結(jié)合；在長(zhǎng)期熱效應(yīng)作用下，這種界面結(jié)合稱為氧化結(jié)合；在長(zhǎng)期熱效應(yīng)作用下，BO2的氧的氧化膜會(huì)發(fā)生球化，這種局部球化也會(huì)影響材料性能?；?huì)發(fā)生球化，這種局部球化也會(huì)影響材料性能。這種暫穩(wěn)態(tài)界面屬于準(zhǔn)這種暫穩(wěn)態(tài)界面屬于準(zhǔn) 類界面。類界面。 在在B4Cp/Mg、SiCf或或SiCw/Al中中

46、也同樣會(huì)出現(xiàn)這種暫穩(wěn)態(tài)界面的變也同樣會(huì)出現(xiàn)這種暫穩(wěn)態(tài)界面的變化，往往要注意這種界面不穩(wěn)定性化，往往要注意這種界面不穩(wěn)定性對(duì)對(duì)MMC性能的影響。性能的影響。（三）（三）MMCMMC的界面界面浸潤(rùn)與界面反應(yīng)控制的界面界面浸潤(rùn)與界面反應(yīng)控制 隨著人們對(duì)隨著人們對(duì)MMC界面顯著影響復(fù)合材料性能認(rèn)識(shí)的提界面顯著影響復(fù)合材料性能認(rèn)識(shí)的提高，改善增強(qiáng)材料和基體的潤(rùn)濕性以及控制界面反應(yīng)的速高，改善增強(qiáng)材料和基體的潤(rùn)濕性以及控制界面反應(yīng)的速率與反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴(yán)重危害復(fù)合材料性能的界面率與反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴(yán)重危害復(fù)合材料性能的界面或者界面層的產(chǎn)生，已成為或者界面層的產(chǎn)生，已成為MMC界面研究的重要內(nèi)容。

47、界面研究的重要內(nèi)容。目前主要有兩種方法：目前主要有兩種方法：v 增強(qiáng)材料的表面處理，如表面涂覆增強(qiáng)材料的表面處理，如表面涂覆v 基體合金化（或基體改性）基體合金化（或基體改性） 1、增強(qiáng)材料的表面處理、增強(qiáng)材料的表面處理根據(jù)潤(rùn)濕方程，根據(jù)潤(rùn)濕方程，lgslsgcos 要提高增強(qiáng)材料與基體熔體的潤(rùn)濕性，主要是提高要提高增強(qiáng)材料與基體熔體的潤(rùn)濕性，主要是提高 sg，或降低或降低 lg 。 通過(guò)增強(qiáng)材料的表面處理可以增加增強(qiáng)材料的表面能，是通過(guò)增強(qiáng)材料的表面處理可以增加增強(qiáng)材料的表面能，是可行的?？尚械摹Ｔ鰪?qiáng)材料按表面性質(zhì)差異可分為兩類：增強(qiáng)材料按表面性質(zhì)差異可分為兩類：v 第一類表面能低；第一類表

48、面能低；v 第二類較易于被基體潤(rùn)濕第二類較易于被基體潤(rùn)濕v 第一類表面能低第一類表面能低第一類表面能低的增強(qiáng)材料主要有第一類表面能低的增強(qiáng)材料主要有C纖維和纖維和Al2O3纖維、纖維、顆粒和晶須。顆粒和晶須。這類增強(qiáng)材料極不容易被基體融體潤(rùn)濕，又能與某些這類增強(qiáng)材料極不容易被基體融體潤(rùn)濕，又能與某些金屬發(fā)生強(qiáng)烈的界面反應(yīng)。對(duì)于這類增強(qiáng)材料首先是要提金屬發(fā)生強(qiáng)烈的界面反應(yīng)。對(duì)于這類增強(qiáng)材料首先是要提高其與基體的濕潤(rùn)性。高其與基體的濕潤(rùn)性。v 第二類較易于被基體潤(rùn)濕第二類較易于被基體潤(rùn)濕 第二類較易于被基體潤(rùn)濕，也能與某些金屬基體發(fā)生第二類較易于被基體潤(rùn)濕，也能與某些金屬基體發(fā)生反應(yīng)。主要有反應(yīng)。

49、主要有B纖維、纖維、SiC和和B4C類增強(qiáng)材料。對(duì)于這類增類增強(qiáng)材料。對(duì)于這類增強(qiáng)材料主要是要控制其與基體的界面反應(yīng)。強(qiáng)材料主要是要控制其與基體的界面反應(yīng)。 增強(qiáng)材料的表面處理，如表面進(jìn)行合適的涂層，使涂增強(qiáng)材料的表面處理，如表面進(jìn)行合適的涂層，使涂層材料既可以起到提高固相表面能作用，同時(shí)涂層也可作層材料既可以起到提高固相表面能作用，同時(shí)涂層也可作為增強(qiáng)材料與基體間界面反應(yīng)的阻擋層，起到控制界面反為增強(qiáng)材料與基體間界面反應(yīng)的阻擋層，起到控制界面反應(yīng)的作用。應(yīng)的作用。 增強(qiáng)材料的表面處理，是針對(duì)不同基體應(yīng)用合適的增強(qiáng)材料的表面處理，是針對(duì)不同基體應(yīng)用合適的材料來(lái)進(jìn)行表面涂覆，表面涂層可以在增強(qiáng)材

50、料與基體材料來(lái)進(jìn)行表面涂覆，表面涂層可以在增強(qiáng)材料與基體間起到以下作用：間起到以下作用：v 改善濕潤(rùn)性和粘著性；改善濕潤(rùn)性和粘著性；v 防止相互擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)（阻擋層）；防止相互擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)（阻擋層）；v 提高增強(qiáng)材料的抗氧化性提高增強(qiáng)材料的抗氧化性 v 減輕增強(qiáng)材料與基體之間的熱應(yīng)力集中減輕增強(qiáng)材料與基體之間的熱應(yīng)力集中v 防止增強(qiáng)材料的表面損傷。防止增強(qiáng)材料的表面損傷。例例5：采用采用CVD法在碳纖維涂覆法在碳纖維涂覆Ti-B，用于，用于Cf/Al基復(fù)合材料基復(fù)合材料Cf/Al是一種適宜空間技是一種適宜空間技術(shù)的結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料。術(shù)的結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料。但是碳纖維和石墨纖維的表但是

51、碳纖維和石墨纖維的表面能很低，一般在正常制備面能很低，一般在正常制備溫度下無(wú)法被溫度下無(wú)法被Al液所潤(rùn)濕，液所潤(rùn)濕，只有在只有在10001000高溫下才能改高溫下才能改善其與善其與Al的潤(rùn)濕性。右圖為的潤(rùn)濕性。右圖為不同溫度下不同溫度下Al液與液與C（石墨）（石墨）接觸角與溫度的關(guān)系曲線。接觸角與溫度的關(guān)系曲線。鋁液與碳接觸角與溫度的關(guān)系鋁液與碳接觸角與溫度的關(guān)系二元鋁合金與涂二元鋁合金與涂Ti-B后后與石墨的接觸角和時(shí)間的關(guān)系與石墨的接觸角和時(shí)間的關(guān)系 為提高碳和鋁的潤(rùn)濕性并控為提高碳和鋁的潤(rùn)濕性并控制界面反應(yīng)，一般采用制界面反應(yīng)，一般采用CVD法在法在碳纖維上涂覆碳纖維上涂覆TiB涂層或鍍

52、涂層或鍍Na層，取得了滿意的效果。層，取得了滿意的效果。 二元鋁合金與涂二元鋁合金與涂Ti-B后石墨后石墨的接觸角和時(shí)間的關(guān)系，可以看的接觸角和時(shí)間的關(guān)系，可以看出不同鋁基體上與石墨有良好的出不同鋁基體上與石墨有良好的潤(rùn)濕性。潤(rùn)濕性。表面處理后對(duì)在空氣中加熱后表面處理后對(duì)在空氣中加熱后Bf強(qiáng)度的影響強(qiáng)度的影響 表面涂覆后，能顯著降低表面涂覆后，能顯著降低Bf與基體與基體Ti的界面反應(yīng)產(chǎn)物，的界面反應(yīng)產(chǎn)物，起到了控制起到了控制Bf/Ti復(fù)合材料的作用。同時(shí)復(fù)合材料的作用。同時(shí)Bf表面涂層還提表面涂層還提高了復(fù)合材料的高溫抗氧化性。高了復(fù)合材料的高溫抗氧化性。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復(fù)合材料復(fù)合材料Bf表面處理后對(duì)硼纖維表面處理后對(duì)硼纖維/鈦的界面反應(yīng)鈦的界面反應(yīng)層厚度的影響層厚度的影響 2、金屬基體改性（基體合金化）、金屬基體改性（基體合金化）在某些金屬基復(fù)合材料體系中，采用基體合金中添在某些金屬基復(fù)合材料體系中，采用基體合金中添加某些合金元素以改善增強(qiáng)材料和基體材料之間的浸潤(rùn)加某些合金元素以改善增強(qiáng)材料和基體材料之間的浸潤(rùn)條件或有效控制界面反應(yīng)的方法為金屬基改性。條件或有效控制界面反應(yīng)的方法為金屬基改性。 一般基體改性合金化元素應(yīng)考慮為與增強(qiáng)材料組成一般基體改性合金化元素應(yīng)考慮為與增強(qiáng)材料組成元素化學(xué)位相近的元素，這樣親和力大，容

54、易發(fā)生潤(rùn)濕，元素化學(xué)位相近的元素，這樣親和力大，容易發(fā)生潤(rùn)濕，此外化學(xué)位是推動(dòng)反應(yīng)的位能，差別小，發(fā)生反應(yīng)的可此外化學(xué)位是推動(dòng)反應(yīng)的位能，差別小，發(fā)生反應(yīng)的可能性小。能性小。硼纖維硼纖維/鈦界面層開(kāi)裂示意圖鈦界面層開(kāi)裂示意圖v 基體改性控制界面反應(yīng)基體改性控制界面反應(yīng)硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料硼纖維和鈦的界面反應(yīng)強(qiáng)烈，硼纖維和鈦的界面反應(yīng)強(qiáng)烈，界面反應(yīng)產(chǎn)物界面反應(yīng)產(chǎn)物TiB2是脆性物是脆性物質(zhì)，在達(dá)到一定厚度后，在質(zhì)，在達(dá)到一定厚度后，在遠(yuǎn)低于硼纖維斷裂應(yīng)變條件遠(yuǎn)低于硼纖維斷裂應(yīng)變條件下，硼化物界面層斷裂，引下，硼化物界面層斷裂，引起硼纖維的斷裂。起硼纖維的斷裂。界面反應(yīng)產(chǎn)物

55、的厚度對(duì)界面反應(yīng)產(chǎn)物的厚度對(duì)Bf/Ti應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響界面反應(yīng)產(chǎn)物厚度對(duì)界面反應(yīng)產(chǎn)物厚度對(duì)Bf/Ti斷裂性能的影響斷裂性能的影響硼纖維與不同成分鈦基體在硼纖維與不同成分鈦基體在760界面反應(yīng)對(duì)界面反應(yīng)對(duì)TiB2層厚度影響層厚度影響 在在760時(shí)，時(shí)，Ti合金與合金與Bf的界面反應(yīng)生成的的界面反應(yīng)生成的TiB2層厚層厚(X)與時(shí)間與時(shí)間(t)的關(guān)系如的關(guān)系如右圖所示。右圖所示。 符合：符合： 基體改性方法就是在基體改性方法就是在Ti合金中添加某些合金元素，以合金中添加某些合金元素，以減少界面反應(yīng)的量，從而防止減少界面反應(yīng)的量，從而防止TiB2層過(guò)厚。在鈦中添加層過(guò)厚。在鈦中添

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。不同基體與不同基體與Bf反應(yīng)速度常數(shù)反應(yīng)速度常數(shù)計(jì)算這些合金與計(jì)算這些合金與B的反應(yīng)速度常數(shù)的反應(yīng)速度常數(shù)K，得下表，得下表 。（1）沒(méi)有影響。如硅和錫，仍舊保）沒(méi)有影響。如硅和錫，仍舊保留鈦的單一活性；留鈦的單一活性；（2）使反應(yīng)速度稍有下降，下降量）使反應(yīng)速度稍有下降，下降量和添加量正比，有稀釋作用，如銅和和添加量正比，有稀釋作用，如銅和鍺，實(shí)際上在界面起一定的阻擋作用；鍺，實(shí)際上在界面起一定的阻擋作用；（3）反應(yīng)速度降低明顯，如鋁、鉬、）反應(yīng)速度降低明顯，如鋁、鉬、釩和鋯。其中釩和鋯。其中Al與與Mo基本

57、不與基本不與B反反應(yīng)，而應(yīng)，而V，Zr可能先與可能先與B反應(yīng)，從而反應(yīng)，從而阻擋了阻擋了Ti與與B的反應(yīng)。的反應(yīng)。這些合金元素按界面反應(yīng)速度常數(shù)這些合金元素按界面反應(yīng)速度常數(shù)K作用的大小分為三類：作用的大小分為三類： 從從Ti基體合金化與基體合金化與Bf界面反應(yīng)控制，可以得出，界面反應(yīng)控制，可以得出，要控要控制或減少液態(tài)基體與固態(tài)增強(qiáng)材料界面反應(yīng)，應(yīng)加入具制或減少液態(tài)基體與固態(tài)增強(qiáng)材料界面反應(yīng)，應(yīng)加入具有以下特性的合金元素：有以下特性的合金元素： 不與固態(tài)材料表面反應(yīng)，但對(duì)液態(tài)金屬基體合金不與固態(tài)材料表面反應(yīng)，但對(duì)液態(tài)金屬基體合金起到稀釋作用；起到稀釋作用； 能降低液態(tài)金屬基體與增強(qiáng)材料的界面

58、反應(yīng)速度能降低液態(tài)金屬基體與增強(qiáng)材料的界面反應(yīng)速度常數(shù)常數(shù)K K，或者說(shuō)與增強(qiáng)材料表面進(jìn)行界面反應(yīng)的反應(yīng)活化，或者說(shuō)與增強(qiáng)材料表面進(jìn)行界面反應(yīng)的反應(yīng)活化能（能（E E）低的合金元素，以優(yōu)先與固態(tài)材料表面發(fā)生界面）低的合金元素，以優(yōu)先與固態(tài)材料表面發(fā)生界面反應(yīng)從而抑止基體金屬與增強(qiáng)材料的界面反應(yīng)。反應(yīng)從而抑止基體金屬與增強(qiáng)材料的界面反應(yīng)。 通過(guò)基體改性來(lái)改善增強(qiáng)材料與基體界面潤(rùn)濕性的典型例通過(guò)基體改性來(lái)改善增強(qiáng)材料與基體界面潤(rùn)濕性的典型例子是子是Al2O3/Al。 根據(jù)濕潤(rùn)方程根據(jù)濕潤(rùn)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 與與Al2O3界面濕潤(rùn)性。界面濕潤(rùn)性。 一般，加入的合金元素應(yīng)一般，加入的合金元素應(yīng) 。v 基體改性改善界面浸潤(rùn)性基體改性改善界面浸潤(rùn)性液態(tài)金屬表面能與原子體積關(guān)系液態(tài)金屬表面能與原子體積關(guān)系液態(tài)金屬表面能與原子體積關(guān)系：液態(tài)金屬表面能與原子體積關(guān)系： 根據(jù)液態(tài)金屬表面能與其原子體積的關(guān)系，可以看出：根據(jù)液態(tài)金屬表面能與其原子體積的關(guān)系，可以看出： M Al 的元素有許多，如的元素有許多，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。但實(shí)際上只等。但實(shí)際上只有有Mg、Si、Zn、Li和和Bi可作為可作為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對(duì)對(duì)Al2O3/Al界面濕潤(rùn)性影響界面濕潤(rùn)性影響 基體中的基體中的Mg可以與可以與Al2O3纖維或顆粒反應(yīng)，在界面上形纖維或顆粒反應(yīng)，在界面上形成類似尖晶石結(jié)構(gòu)的成類似尖晶石結(jié)構(gòu)的nMgO.mAl2O3。反應(yīng)如下：。反應(yīng)如下： MgAl2O3 MgOAl nMgOmAl2O3 nMgO mAl2O3 而而nMgOmAl2O3可與可與Al和和Al2O3纖維或顆粒類增強(qiáng)材料都纖維或顆粒類增強(qiáng)材料都形成結(jié)合性較強(qiáng)的界面。形成結(jié)合性較強(qiáng)的界面。 經(jīng)