6第六章-金属基复合材料的界面及其表征

图6-4 当纤维是脆性时，反应物裂纹 产生的应力集中使纤维断裂
例如不锈钢丝增强铝复合材料系中，由于纤维是韧性的，反应物
裂纹尖端产生的应力集中使纤维发生塑性变形（产生了滑移带），
见图6-3所示。又例如，碳纤维增强铝复合材料系中，纤维是脆性
的，反应物裂纹产生的应力集中使纤维断裂，见图6-4所示。可见
后者的界面反应物临界厚度小于前者。
Wc＝2γLV
(6-7)
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只有当粘着功Wa大于内聚能Wc时，液体才能对固体 浸润。Wa与Wc之差定义为液体在固体表面的铺开系数S， S为正值时，即S＞0时，发生浸润现象。
S＝Wa - Wc=(γSV -γSL) -γLV
(6-8)
对于金属基复合材料可以来取下列措施来改善金属基体对 增强物的润湿性。
MO W
Ni 80 Ni-20Cr Ni- Cr-Fe
TiC HfC W W Ni Ni
~0 2
1200 0.15 1500 4.3
24 <1 <1
540 505 630 870 540 760 400 1000 1000
5
6.2.2 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。
较直观的可由相图得到。但比较实用的相图很少，所以具体的 复合材料体系中的相容性问题往往只能通过实验得到解决。下 面以几种常用的金属基复合材料为例说明。
（1）铝及铝合 金复合材料
1.铝－碳系 2.铝－硼系 3.铝－碳化硅系 4.铝－氧化铝系 5.铝－铁系
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（2）钛及钛合 金基复合材料
第6章 金属基复合材料的 界面及其优化设计
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6.1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。
C
Al
C-HT
Al
24
580
100
475
A
Ⅱ
A
Ⅱ
C-HM
Al
100
550
A
Ⅱ
C
Ni
1
600
A
Ⅰ
C
Ni
5
600~800
A
Ⅰ
C
Ni
<1
900
A
Ⅰ
C-Ⅱ
Ni
1
900
A
Ⅰ
C
Ni
C-Ⅰ
Ni
C
Ni
24
1000
1
1230
1
>1270
A
Ⅰ
A
Ⅰ
B
Ⅰ
C
Ni-Cr
24
500
C
Co
24
700
C
Cu
24
800
B
Ⅰ
B
Ⅱ
B
Ⅱ
SiC
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Petrasek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
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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（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（Cr、Nb）系。合金元素（Cr、 Nb）向W丝中扩散、溶解并合金化，形成 W（Cr、Nb）固溶体。此种情况对复合材 料性能影响不大
Al
24
700
B
Ⅱ
SiC
Al-3%Mg
10
580
B/ SiC
Ti
0.5
870
B/ SiC
Ti-6Al-4V
0.5
350
B
Ⅱ
B
Ⅱ
B
Ⅱ
B
Al-3%Mg
100
400
B
Ⅱ
B
Al-3%Mg
>10
500
B
Al-6061
1
540
B
Ⅱ
Ⅱ
B
Ti
0.1
580
B
Ti-6Al-4V
1000
230
B
Ni
100
370
Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3 Al2O3
Wf/Cu（Ti、Zr）系。W与合金元素T i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。
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6.2.2.2 界面模型
在早期的研究中，将复合材料界面抽象为：界面处 无反应、无溶解，界面厚度为零，复合材料性能与界面无 关；稍后，则假设界面强度大于基体强度，这是所谓的强 界面理论。强界面理论认为：基体最弱，基体产生的塑性 变形将使纤维至纤维的载荷传递得以实现。复合材料的强 度受增强体强度的控制。预测复合材料力学性能的混合物 定律是根据强界面理论导出的。由上述可见，对于不同类 型的界面，应当有与之相应的不同模型。
若γLV >γSV-γSL，则1>cosθ>0,θ<90°，液体能润湿固体。 若γLV＝γSV -γSL，则cosθ＝1,θ＝0°，这时液体完全浸润固体。 若γSL-γSV >γLV，则液体在固体表面完全浸润时仍未达到平衡而铺
展开来。
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液体对固体吸引力的大小用液体对固体的粘着功Wa
6.2.1 界面的结合机制
界面的 结合力 有三类
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。
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。
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。
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。
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
基体与增强物之间，除发生化学反应在界面上形成化合 交换反应结合 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
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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
图6-5 液体对固体表面的浸润情况
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γSV-γSL=γLVcosθ
（6-3）
cosθ＝
SV SL LV
(6-4)
式中：γSV、γSL、γLV分别为液－汽、固－汽、表面张力和固－液界
面张力；θ－液体对固体的浸润角或接触角。
若γSV <γSL,则cosθ<0, θ>90°,液体不能润湿固体。当θ＝180°时， 固体表面完全涌被液体润湿，液体呈球状。
1）改变增强物的表面状态和结构以增大γSV； 2) 改变金属基体的化学成分以降低γSL； 3) 改变温度；
4) 改变环境气氛；
5）提高液相压力；
6)某些物理方法。
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6.2.3.2 基体与增强物之间的化学相容性
1、热力学相容性 决定热力学相容性的关键因素是温度，热力学相容性温度比
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表6-1 金属基复合材料体系的界面类型
界面类型 Ⅰ型
体系 C/Cu，W/Cu，Al2O3/Cu，Al2O3/Ag，B(BN)/Al，，B/Al①，SiC/Al①，不
锈钢/Al①
Ⅱ型
W/Cu(Cr)，W/Nb，C/Ni②，V/Ni②，共晶体③
Ⅲ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
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（1） I型复合材料的界面 模型 Cooper和Kelly （1968）提出，I型界面模 型是界面存在机械互锁，且 界面性能与增强体和基体均 不相同；复合材料性能受界 面性能的影响，影响程度取 决于界面性能与基体、纤维 性能差异程度的大小；I型界 面模型包括机械结合和氧化 物结合两种界面类型。
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
根据上面的三种结合力，金属基复合材料中的界面结合可以 分为六种