第七章 金属基复合材料界面 表界面
复合材料 第七章 复合材料的复合原则及界面
另外，对于成分和相结构也很难作出全 面的分析。 因此，这今为止，对复合材料界面的认 识还是很不充分的，不能以一个通用的模型 来建立完整的理论。 尽管存在很大的困难，但由于界面的重 要性，所以吸引着大量研究者致力于认识界 面的工作，以便掌根其规律。
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第三节 复合材料的界面设计原则
界面粘结强度是衡量复合材料中增 强体与基体间界面结合状态的一个指标。 界面粘结强度对复合材料整体力学 性能的影响很大，界面粘结过高或过弱 都是不利的。
的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应
光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透 光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲 击性等。
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(5)诱导效应
一种物质(通常是增强物)
的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与 之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改 变，由此产生一些现象，如强的弹性、低的
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(3)纤维与基体的热膨胀系数不能相差过 大，否则在热胀冷缩过程中会自动削弱它们 之间的结合强度。
(4)纤维与基体之间不能发生有害的化学
反应，特别是不发生强烈的反应，否则将引 起纤维性能降低而失去强化作用。
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(5)纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必 须适宜。
一般而言，基体中纤维的体积含量越高， 其增强效果越显著； 纤维直径越细，则缺陷越小，纤维强度也 越高；
制备具有高冲击强度的避弹衣。
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由于界面尺寸很小且不均匀、化学
成分及结构复杂、力学环境复杂、对于
界面的结合强度、界面的厚度、界面的 应力状态尚无直接的、准确的定量分析 方法；
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所以，对于界面结合状态、形态、结 构以及它对复合材料性能的影响尚没有适
金属基复合材料的界面类型
金属基复合材料的界面类型金属基复合材料的界面类型，听起来是不是有点高大上？别担心，咱们今天就来聊聊这些材料的“秘密”，让你明白它们是怎么工作的，也许还有点乐趣呢！金属基复合材料，光听名字就觉得它们应该很厉害。
它们可是将金属和其他材料的优点结合在一起，像是做了一道超级美味的菜，既有肉又有菜，营养丰富。
想象一下，你把铝、铜或者钛这些金属，和一些陶瓷、碳纤维或者聚合物混合在一起，嘿，这就是金属基复合材料了！就好比是一群各具特色的朋友，聚在一起聊八卦，互相补充，产生意想不到的火花。
说到界面类型，那就有趣了。
就像一场聚会，大家都在寻找合适的搭档。
金属和非金属的结合，界面可就显得至关重要了。
有些界面就像是老朋友，默契得不得了，紧紧相拥，谁也不愿意分开。
而有些界面嘛，初次见面，有点尴尬，可能得多磨合，才能找到共鸣。
这样一来，界面的好坏就直接影响到复合材料的性能。
要是界面不稳固，那就像是搭在沙滩上的城堡，一下子就垮了！我们得说说界面的类型。
咱们得提一提化学结合。
这种界面就像是“你情我愿”，金属和非金属之间形成了化学键，牢牢地粘在了一起。
这种结合力可大了，能承受很高的温度和压力，就像是一对深情的恋人，风雨无阻，携手同行。
然后是机械结合，哦，这种方式就像是拉钩上学，捏着手，牢牢相连。
金属和其他材料之间并没有化学反应，但通过形状的相互嵌合，把彼此“锁”在了一起。
想想看，就像你把一块拼图放进另一个拼图里，虽然没有胶水，但那种契合感，谁都无法忽视。
可是，这种结合方式也有点脆弱，要是受到外力，那可是说散就散的。
再来说说电磁结合，这种界面就像是超级英雄的联手。
金属和非金属通过电磁力相互作用，形成了稳固的结合。
它们之间的相互吸引，就像是你看到喜欢的人，心里怦怦直跳。
电磁结合在高温条件下表现也不错，简直就是材料界的“超级明星”。
咱们得提一提界面缺陷的问题。
这就有点像人际关系中的小矛盾了。
即使是最好的朋友，偶尔也会因为一些小事产生误会。
金属基复合材料界面
金属基复合材料界面金属基复合材料界面是指由金属基体和其他材料相互作用形成的界面。
金属基复合材料是一种重要的结构材料，在航天、航空、汽车制造等领域发挥着重要作用。
而界面则是金属基复合材料性能的关键因素之一，影响着材料的力学性能、热学性能、电学性能等。
金属基复合材料界面的特点主要包括界面强度、界面形态以及界面反应等。
首先，界面强度是指金属基复合材料界面的抗剪强度，决定了材料的强度和韧性。
界面形态则是指金属基复合材料界面的结构形貌，包括界面的平整度、均匀度等。
最后，界面反应是指金属基复合材料界面处发生的化学反应，影响着材料的稳定性和使用寿命。
金属基复合材料界面的研究主要包括界面强度的测试方法以及界面的表征技术。
一般来说，界面强度可以通过剪切测试、拉伸测试等方法进行测量。
剪切测试是将金属基复合材料的界面置于剪切载荷下，通过测量界面之间的滑动距离和加载力来计算界面的剪切强度。
拉伸测试则是将金属基复合材料的界面置于拉伸载荷下，通过测量界面的断裂强度和断裂面积来计算界面的拉伸强度。
界面的表征技术主要包括电子显微镜观察和X射线衍射分析等。
电子显微镜观察可用于观察金属基复合材料界面的形貌和结构特征，如界面的平整度、均匀度以及异质相等。
X射线衍射分析则可以用于分析界面处的晶体结构和相变行为，从而揭示界面反应的机制和影响因素。
金属基复合材料界面的性能调控主要包括三个方面，即界面结构调控、界面化学调控以及界面力学调控。
界面结构调控主要是通过改变复合材料的结构和工艺参数来调控界面的形貌和结构特征，从而改善界面的强度和稳定性。
界面化学调控则是通过引入中间相或质量扩散来调控界面的化学反应，从而提高界面的稳定性和抗氧化性能。
界面力学调控主要是通过改变金属基复合材料的力学性能来调控界面的剪切强度和散射行为，从而提高界面的强度和韧性。
总之，金属基复合材料界面是一种关键的材料界面，影响着金属基复合材料的力学和热学性能。
了解金属基复合材料界面的特点和性能调控方法，对于开发高性能金属基复合材料具有重要意义。
金属基复合材料的界面结合性能研究
金属基复合材料的界面结合性能研究随着科技进步和工业发展，金属基复合材料在各个领域得到了广泛应用。
金属基复合材料由金属基体和增强相组成，通过界面结合强化材料和基体的相互作用，增强了材料的性能。
然而，界面结合性能对于金属基复合材料的整体性能有着重要影响。
本文将探讨金属基复合材料的界面结合性能以及相关研究进展。
首先，界面结合性能是金属基复合材料的重要性能之一。
金属基复合材料的界面结合强度和界面结合能力决定了材料的力学性能、疲劳性能和耐蚀性能等。
好的界面结合性能可以增强材料的强度和韧性，提高材料的负荷承受能力。
因此，研究金属基复合材料的界面结合性能对于提高材料的性能至关重要。
其次，当前金属基复合材料的界面结合性能研究主要集中在几个方面。
首先是材料选择。
在金属基复合材料的界面结合性能研究中，选择合适的金属基体和增强相材料非常重要。
科学家通过研究不同材料的界面结合性能，选择最佳的组合，以提高金属基复合材料的性能。
其次是界面处理。
通过表面处理、化学修饰等方式改善金属基复合材料的界面结合性能，使得界面结合更加牢固。
最后是界面结合机理研究。
通过实验和模拟方法，科学家们深入研究了金属基复合材料界面结合机理的基本原理，为材料的设计和改进提供了理论指导。
此外，金属基复合材料的界面结合性能研究还有一些挑战和难点。
首先是实验方法的选择。
由于界面结合性能的研究需要对界面进行精确的测试和分析，科学家们需要选择合适的实验方法和设备以获得可靠的数据。
其次是界面结合性能与材料性能的相互影响。
界面结合性能的改变可能会影响材料的力学性能、疲劳性能等，因此需要综合考虑界面结合性能和材料性能之间的关系。
最后是界面结合性能的模拟和预测。
由于金属基复合材料的界面结合机理复杂，准确地预测和模拟界面结合性能仍然是一个挑战。
综上所述，金属基复合材料的界面结合性能研究是一个重要而有挑战性的领域。
通过选择合适的材料、优化界面处理方法以及深入研究界面结合机理，可以提高金属基复合材料的性能。
《复合材料原理》金属基复合材料界面控制 ppt课件
金具有很好的润湿性，润湿性好，才能充填
纤维束和丝之间的间隙。基体改性很少采用。
ppt课件
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3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素可以减少碳纤维的溶解和界面反应：
提高活化能，减少碳纤维溶解 阻止碳在反应产物中的扩散
System Al-C E103
0.43
(Al/Fe)-C (Al/Ga)-C
复合材料原理
ppt课件
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第九讲 金属基复合材料界面控制
1 强结合及其失效机制 2 界面问题与纤维涂层 3 界面反应与界面控制
ppt课件
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精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
0.23
0.38
System (Al/Zn)-C (Al-Mg)-C (Al-Si)-C
E103 4.8
6.0
7.1
溶质元素对C在Al中溶解的影响 ppt课件
Al4C3速度常数 24
3 界面反应与界面控制
3.1基体改性
溶质元素在界面偏聚形成溶解和反应阻挡层：
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3 界面反应与界面控制
表面涂层处理： (1) 改善润湿性，提高界面结合强度 (2) 防止过渡界面反应，降低界面脆性
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2 界面问题与纤维涂层
2.1 界面化学反应
涂层能控制界面反应，有了涂层基体元素越过涂 层扩散与纤维发生反应或纤维元素越过涂层扩散 与基体反应将受到抑制。
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扩散控制的反应层厚度
金属基纤维复合材料的几种界面结合形式
金属基纤维复合材料的几种界面结合形式金属基纤维复合材料，这听起来有点高深，其实它就是把金属和纤维结合在一起的一种新材料。
想象一下，把坚固的金属和柔韧的纤维搅和在一起，结果就是既强韧又轻便的好东西。
嘿，谁不想要这样的材料呢？在航空航天、汽车工业等领域，它的应用可谓是如火如荼，简直就是一颗新星，闪闪发光。
说到界面结合，大家可能会觉得有点抽象，其实就像一对恋人之间的关系，好的结合能让彼此更完美，差的结合就可能闹得不可开交。
金属和纤维的结合形式，主要有几种，咱们就来瞧瞧。
首先是物理结合，这个简单明了，没什么复杂的花样。
就像朋友聚会，大家都坐在一起，但并没有强烈的交集。
金属和纤维只是紧紧贴在一起，没有发生化学反应。
这种结合虽然简单，但在某些情况下还挺靠谱。
比如说，纤维就像是金属的保护伞，能减少金属的脆性，这种结合也有点依赖于接触面，有时候也会因为环境因素而受到影响。
再说说化学结合，这就有点像情侣之间的火花了。
有化学反应，才会有更深层的连接。
金属和纤维之间的原子、分子发生了互动，形成了新的化合物。
这种结合方式往往能带来更强的力学性能，哇，真是太赞了！但你要知道，这种结合的条件可挑剔了，温度、压力都得掌握得当，否则就容易出岔子。
还有一种，叫做机械结合，听起来有点严肃，但其实也挺有趣的。
这就好比是搭积木，金属和纤维之间互相咬合，像是两个人在玩亲密的捉迷藏。
机械结合的强度依赖于几何形状和接触面。
就拿汽车制造来说，很多时候用的就是这种结合方式，因为它在一些动态载荷下表现得非常出色。
简直就是机械界的“绅士”，能给材料带来超强的抗冲击能力。
再来聊聊涂层结合，这个有点像是在金属表面披了一层“外衣”。
涂层不仅增加了金属和纤维的结合强度，还能提升材料的耐腐蚀性。
这就像给材料穿上了防护服，走到哪儿都不怕风吹雨打。
特别是在恶劣环境下，这种结合方式简直是“护航者”。
不过，这种外衣得选得好，要不然就像买了件过时的衣服，反而影响了整体的表现。
《金属基复合材料》第二章,界面及相容性
(机械结合——摩擦力)
2) Physical combining force —— Vanderwaals force and hydrogen bond，(物理结合——范德华力和氢键)
Metal Matrix Composites
(bilingual teaching)
College of materials science and engineering Jilin University
Professor Yu-guang ZHAO
Chapter 2,
Interface and compatibility of composites
combination
1）Mechanical combine(机械结合) 基体与增强体之间仅仅依靠纯粹的粗糙表面相互嵌入（互锁）作用进行连接
称为机械结合。其影响因素主要为增强体表面粗糙度和基体的收缩应力。 纯粹的机械结合是不存在的，R/M 界面总存在弱的范德华力。 2）coherent and semi-coherent atoms combine （共格和半共格原子 结合）是指基体与增强体以共格和半共格方式直接原子结合，界面平直， 无界面反应产物和析出物存在。 MMCs中以这种方式结合的界面很少。 3）Dissolving and wetting/diffusion combine(溶解和润湿/扩散结合) 在复合材料制备过程中基体与增强体之间先发生润湿、再相互溶解，所形成 的结合方式称为溶解和润湿结合。通常润湿为主，溶解为次。由于扩散 时间短，组分之间的相互作用出现在电子或原子等级上，即短程范围， 这意味着这些组分进入原子尺度的接触。 4）Chemical/Reacting combine(化学/反应结合) 基体与增强体之间发生化学反应，在界面上形成新的化合物而产生的结合。 这是一种最复杂、最重要的结合方式。一般反应结合受扩散控制，只有 通过相互接触和扩散才能发生某种化学反应
金属基复合材料界面问题课件.ppt
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2．界面的作用
2024散射与吸收效应、诱导效应及不连续效 应。
传递效应：是指界面可以将外力通过基体传递给增强体，起连接基体与增强 体的作用。
阻断效应：是指界面具有阻断裂纹扩展、延缓应力集中的作用。 散射与吸收效应：是指界面具有透光、隔热、隔音、吸振、耐热冲击的性能。 诱导效应是指界面使周围物质的结构发生改变，从而产生出一系列特殊的性 质。不连续效应是指界面的物理不连续性。
产生界面反应产物一脆性相 ：界面反应结果形成各种类型的化 合物,如A14C3、AIB2、A12MgO4、MgO、Ti5Si3、TIC等。
造成增强体损伤和改变基体成份 ： 严重的界面反应使高性能纤 维损伤。
界面反应还可能改变基体的成份。
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主要的界面问题：
1.界面反应及其控制途径: 2.界面微结构及其表征: 3.界面结构特性对微观、宏观性能的影响: 4.界面结构与复合材料组分的关系: 5.界面稳定性: 6.界面的优化设计和优化界面的有效途径
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2024/10/8
Cf/Al复合材料界面反应工艺控制
在现有的金属基复合材料体系中， Cf/Al复合材料对界面是最为敏感的， 甚至成为复合材料能否成功应用的关键技术障碍一般地,C 与 Al的复合界面在 773K便可生成 Al4C3
三方面的危害： 1.呈脆性，可降低界面在复杂应力下传递载荷的作用; 2.会导致碳纤维损伤，降低纤维的承载能力 3.易于水解，潮湿环境下易腐蚀。
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3．界面的类型
3.界面分类
2024/10/8
•结合的原理 机械结合 化学结合
•相互作用
既不反应又不扩散 不反应但溶解扩散 界面反应
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4.界面反应
4.1界面过程 （1）界面的吸附和偏聚 （2）扩散和传质 （3）成核和生长 （4）界面化学反应
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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的过程。 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。
硬质合金组织(Co+WC) 硬质合金铣刀
பைடு நூலகம்
碳化物金属陶瓷作为工具 材料已被广泛应用，称作
硬质合金。硬质合金通常
以Co、Ni作为粘结剂，
WC、TiC等作为强化相。
硬质合金主要有钨钴 (YG)和钨钴钛(YT) 两类。牌号中，YG 后的数字为含Co量， YT后的数字为碳化
硬质合金模具
硬质合金轴承刀具
钛含量。
（2）溶解和润湿结合—II类结合
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Ⅲ类界面 其特征是在界面上生成新的化合物层。
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.
7.2．按基体分类
(1)铝基复合材料 (2)镍基复合树树 (3)钛基复合材料
(1)铝基复合材料
这是在金属基复合材料中应用得最广的 一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此 具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的 易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点， 为其在工程上应用创造了有利的条件。
制在造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而 是用各种铝合金。这主要是由决定于与纯铝相比，铝合
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
2. MMC的界面结合及制造工艺条件对结合的影响
MMC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。 纤维
基体 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
金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，
则根据实际中对复合材料的性能需要来。
(2)镍基复合材料
这种复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于 镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高 温下工作的零部件。 人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即是希望用它来 制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的工作温 度。 但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以 还未能取得满意的结果。
(2)化学不稳定因素
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：连续界面反应；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
交换式界面反应的不稳定因素
主要发生在当基体为含有两个或两个以上元素的合金时:
MMC虽强度和弹性模量（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 限制了MMC的应用范围。
航天飞机内
MMC (Al / B 纤维)桁架
7.1金属基复合材料的种类和基本性能
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
第七章 金属基复合材料界面
7.1 金属基复合材料的种类和基本性能
随着现代科学技术的飞速发展，人们对
材科的要求越来越高。 在结构材料方面，不但要求强度高，还 要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。 金属基复合材料正是为了满足上述要求
而诞生的。
第七章 金属基复合材料界面
金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合
(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 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60
b.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：
SEM the fracture surface of a silvercopper alloy reinforced with carbon fibers.
B
TiB2 Ti
(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 BO2 B + Al2O3 （5）混合结合
3. 金属基复合材料界面的稳定性
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 界面稳定性两类因素：
硬质合金硬度极高，
且热硬性、耐磨性好，
一般做成刀片，镶在
刀体上使用。
金属基复合材料MMC
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 增强体; 基体: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。 目前以铝基、镁基、钛基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。
材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。
常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。
作为增强体的连续纤 维主要有硼纤维、 SiC和C纤维；Al2O3 纤维通常以短纤维的 形式用于MMC中。
MMC的SEM照片
金属基粒子复合材料又称
金属陶瓷，是由钛、镍、 钴、铬等金属与碳化物、 氮化物、氧化物、硼化物 等组成的非均质材料。