第七章-金属基复合材料界面---表界面课件

7.1 金属基复合材料的种金属基复合材料的种类和基本性能和基本性能随着随着现代科学技代科学技术的的飞速速发展，人展，人们对材科的要求材科的要求越来越高。越来越高。在在结构材料构材料方面，不但要求方面，不但要求强度高度高，还要求其要求其重量要重量要轻，尤其是在航空航天，尤其是在航空航天领域。域。金属基复合材料金属基复合材料正是正是为了了满足上述要求足上述要求而而诞生的。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第七章 金属基复合材料界面1n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。MMCMMC的的的的SEMSEM照片照片照片照片第七章第七章 金属基复合材料界面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材料（MMC）可2n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，WC、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)硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀硬质合金铣刀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3n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)两两类。牌号中，类。牌号中，YG后后的数字为含的数字为含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硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛(YT)两类。牌号中，YG4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、颗粒等为增强体增强体;基体基体:铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍铝基、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。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MMC以金属或合金为基体的复合材料。金属基复合材料MMC5n MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和虽强度和弹性模量（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 MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用61.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7.1金属基复合材料的种类和基本性能金属基复合材料的种类和基本性能金属基复合材料的种类和基本性能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)7MMC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MMC界面结合形式分五种：基体纤维机械结合界面示意图特点（8II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 BO2 B +Al2O3（5）混合结合（2）溶解和润湿结合II类结合BTiTiB2（2）溶解和润湿结合II类结合BTiTiB29 (1)物理不稳定因素a.不不稳稳定定因因素素主主要要表表现现为为增增强强体体与与基基体体在在高高温温条条件件下下发发生生溶溶解解现象。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界面稳定性两类因素：3.金属基复合材料界面的稳定性 (1)物理不稳定因素 金属基复合材料的主要特点在10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.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11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12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富集集于于界界面面层层中，同时化合物的元素与基体中的元素不断交换直到平衡。第二步造成在界界面面层层附附近近的合金基体中缺少在化合物中富富集集的的某某元元素素起起反反应应，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。主要发生在当基体为含有两个或两个以上元素的合金时:交换式界面13(1)铝基复合材料基复合材料(2)镍基复合基复合树树(3)钛基复合材料基复合材料7.27.2按基体分类按基体分类按基体分类按基体分类 7.2按基体分类14这是在金属基复合材料中是在金属基复合材料中应用得最广用得最广的的一种。由于一种。由于铝的基体的基体为面心立方面心立方结构，因此构，因此具有具有良好的良好的塑性和塑性和韧性性，再加之它所具有的，再加之它所具有的易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性及及价格低廉价格低廉等等优点，点，为其其在工程上在工程上应用用创造了有利的条件。造了有利的条件。(1)(1)铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料制制在在造造铝基复合材料基复合材料时，通常并不是使用，通常并不是使用纯铝而而是是用各种用各种用各种用各种铝铝合金合金合金合金。这主要是由决定于主要是由决定于与与纯铝相比相比，铝铝合合合合金具有更好的金具有更好的金具有更好的金具有更好的综综合性能合性能合性能合性能。至于。至于选择何种何种铝合金做基体，合金做基体，则根据根据实际中中对复合材料的性能需要复合材料的性能需要来。来。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15这种复合材料是以种复合材料是以镍镍及及及及镍镍合金合金合金合金为为基体基体基体基体制造的。由于制造的。由于镍的的高温性能高温性能高温性能高温性能优优良良良良，因此，因此这种复合材料主要是用于制造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。人们研制人们研制镍基复合材料镍基复合材料镍基复合材料镍基复合材料的一个重要目的，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制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺及及可靠性可靠性可靠性可靠性等问题尚未解决，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。(2)(2)镍基复合材料镍基复合材料镍基复合材料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16钛比任何其它的比任何其它的结构材料具有构材料具有更高的更高的比比强度度。此外，。此外，钛在中温在中温时比比铝合金合金能更能更好地保持其好地保持其强度度。(3)(3)钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料因此，因此，对飞机机结构来构来说，当速度，当速度从从亚音速音速提高到提高到超音速超音速时，钛钛比比比比铝铝合金合金合金合金显显示出了更大的示出了更大的示出了更大的示出了更大的优优越性越性越性越性。随着随着速速度的进一步加快度的进一步加快，还需要，还需要改变飞机的结构设计改变飞机的结构设计改变飞机的结构设计改变飞机的结构设计，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，为此需要高刚度的材料高刚度的材料高刚度的材料高刚度的材料，而，而纤纤纤纤维增强钛维增强钛维增强钛维增强钛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。钛比任何其它的结构材料具有更高的比强度。此外，钛在中温时17基体和增基体和增基体和增基体和增强强体的体的体的体的热热膨膨膨膨胀胀系数系数系数系数钛基复合材料中基复合材料中最常用的增最常用的增强体是体是硼硼纤维，这是由于是由于钛与硼的与硼的热膨膨胀系数比系数比较接近接近，如下表所示。如下表所示。基体和增强体的热膨胀系数钛基复合材料中最常用的增强体是硼18 2.按增按增强体分体分类(1)颗粒增粒增强复合材料复合材料(2)层状复合材料状复合材料(3)纤维增增强复合材料复合材料 2.按增强体分类19(1)颗粒增粒增强复合材料复合材料这里的里的颗粒增粒增强复合材料复合材料是指弥散的是指弥散的硬硬质增增强相的体相的体积超超过20的复合材料，的复合材料，而不包括那种而不包括那种弥散弥散质点体点体积比比很低的弥散很低的弥散强化金属。化金属。(1)颗粒增强复合材料20此外，此外，颗粒增粒增强复合材料复合材料的的颗粒直径粒直径和和颗粒粒间距很大，距很大，一般大于一般大于1um。在在这种复合材料中，种复合材料中，增增强相相是主要的是主要的承承载相相，而，而基体基体的作用的作用则在于在于传递载荷荷和和便于加工便于加工。此外，颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于21虽然然颗粒复合材料粒复合材料的的强度度通常取决于通常取决于颗粒的直径粒的直径、间距距和和体体积比比，但是基体性，但是基体性能也很重要。能也很重要。除此以外，除此以外，这种材料的性能种材料的性能还对界面界面性能性能及及颗粒排列的几何形状粒排列的几何形状十分敏感。十分敏感。虽然颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比22(2)层状复合材料状复合材料这种复合材料是指种复合材料是指在在韧性和成型性性和成型性较好的金属基体材料中好的金属基体材料中，含有，含有重复排列的重复排列的高高强度度、高模量高模量片片层状增状增强物物的复合材料。的复合材料。(2)层状复合材料23层状复合材料的状复合材料的强度度和和大尺寸增大尺寸增强物的物的性能性能比比较接近，而与接近，而与晶晶须或或纤维类小尺寸增小尺寸增强物的性能物的性能差差别较大。大。因因为增增强薄片在二薄片在二维方向上的尺寸方向上的尺寸相当相当于于结构件的大小构件的大小，因此，因此增增强物中的缺陷物中的缺陷可以可以成成为长度和构件相同的度和构件相同的裂裂纹的核心的核心。层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须24由于由于薄片增薄片增强的的强度度不如不如纤维增增强相相高高，因此，因此层状状结构复合材料的构复合材料的强度度受到了受到了限制。限制。然而，在然而，在增增强平面的各个方向平面的各个方向上，上，薄薄片增片增强物物对强度和模量都有增度和模量都有增强效果效果，这与与纤维单向增向增强的复合材料相比的复合材料相比具有明具有明显的的优越性。越性。由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料25(3)纤维增增强复合材料复合材料金属基复合材料中的金属基复合材料中的纤维根据其根据其长度度的不同的不同可分可分为长纤维、短短纤维和和晶晶须，它，它们均属于均属于一一维增增强体体。因此，因此，由由纤维增增强的复合材料的复合材料均表均表现出明出明显的的各向异性各向异性特征。特征。(3)纤维增强复合材料267.3 金属基复合材料的界面表征复合材料的性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7.3 金属基复合材料的界面表征复合材料的性能与界面结合状态27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-4V复合材料界面AE左图为横跨整个界面的线扫描 Ti6Al4V合金SiCSiC/281.金属基复合材料的界面形貌、结构成分2.左图：SiC/Ti-6Al-4V复合材料界面不同部分的俄歇电子能谱3.“1”Ti6Al4V合金；“2”TiSi化合物4.“3”TiC;“4”SiC金属基复合材料的界面形貌、结构成分29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30高压电镜对Al/SiCw复合材料界面观察a.热循环开始340 k,在SiC晶须和析出相周围有较多的位错b.经过810 k退火后位错大部分消失c.冷却430 k位错重新大量产生 高压电镜对Al/SiCw复合材料界面观察31a 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 a 不良结合 b 结合适中 c结合稍强d结合过强32