资源描述
*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,3.2.5,界面反应,界面反应是影响具有第,类界面的复合材料界面稳定性,的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时,当形成大量脆,性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作用下发生，引起,增强材料的断裂，从而影响复合材料性能的稳定性。界面反,应的发生与增强材料和基体的性质有关，与反应的温度、时,间有关。,MMC,界面反应分为：,连续界面反应；,交换式界面反应；,暂稳态界面变化。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,连续界面反应,MMC,在,制备过程中，或在热处理过程，也可,在高温使用过程，增强材料与基体的界面反应连续,进行。连续界面反应可以,发生在基体或增强材料一,侧，也可以在基体和增强材料界面上同时进行。,影响,MMC,连续界面反应的因素主要有温度、时,间。反应的量会随温度的变化和时间的长短发生变,化。这类界面反应的典型如,Cf,/Ni,、,Bf/Ti,、,Cf,/Al,以,及,SiCf,/Ti,等。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,连续界面反应,B,f,/Ti-6Al-4V,连续界面反应,B,f,/Ti-6Al-4V,的,连续界面反应，一般是发生在,B,f,一,侧。,B,f,表面,B,原子通过界面层向,Ti,基体扩散（,在,B,f,内部,留下空洞），并,与,Ti,反应生成,TiB2,界面反应产物。在,一定温度和时间条件下，界面反应是连续进行的。,B,f,/Ti-6Al-4V,，,经,850100h,后界面反应,Chapter 3:Metal Matrix Composite,B,f,/Ti,界面反应与温度及时间关系,图,4.22,各种温度下的,Bf/Ti,的界面反应物厚度与时间的关系,Bf/Ti,的界面反应受扩散过程控制，界面反应层厚度（,X,）,与反应时间的平方根呈线性关系，即：,其中，,K,为反应速度常数；,t,为反应时间（,s,）,Chapter 3:Metal Matrix Composite,连续界面反应,C,f,/Al,连续界面反应,Cf,/Al,的,连续界面反应，根据微观观察界面反应产物出现的位置，以及,Cf,表面变化情况，说明界面反应是发生在,Al,基体一侧。而且与温度有明显的关系。,不同,Cf,/Al,界面反应,a),反应产物,Al,4,C,3,量随热处理温度的变化,以及,b),对复合材料强度的影响,Chapter 3:Metal Matrix Composite,连续界面反应,SiCf,/Ti,连续界面反应,SiCf,/Ti,连续界面反应属,于发生在增强材料与基体界,面两侧。并且界面反应产物,也与,Si,、,C,和,Ti,的原子扩散速,度有关。,SiCf,/Ti,连续界面反应产,物在界面上是靠,Ti,基体一侧,为,Si,m,Ti,n,化,物，中间是,TiSiC,化合物，而靠,SiCf,一侧是,TiC,。,SiCf/Ti-6Al-4V,的界面,不同位置俄歇电子能谱线扫描,Chapter 3:Metal Matrix Composite,有关,SimTin,化物的组成，请参看：,朱艳、杨延清、马志军、陈彦等，,SiC,/Ti,基复,合材料界面反应的热力学研究，稀有金属材料与工,程，,2002,，,vol.31,No.4,279-282,Chapter 3:Metal Matrix Composite,交换式反应,当增强材料含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应，形成反应产物后，反应产物还会与其他基体元素发生交换反应，产生界面的不稳定。例如硼纤维增强含铝较高的钛合金（,Ti-8Al-1Mo-1V),在硼纤维和基体界面上会发生交换反应。,Ti(Al),B,（,Ti,、,Al,）,B,2,（,Ti,、,Al,）,B,2,Ti,TiB,2,Ti(Al),即界面先反应生成,(Ti,Al)B,2,界面反应产物，该产物可能与,Ti,继续进行交换反应生成,TiB,2,和,Ti,（,Al,）。,这样，界面反应,物中的铝又会重新聚集与基体,合金一侧。,Bf/Ti-6Al-4V,界面交换反应示意图,Chapter 3:Metal Matrix Composite,暂稳态界面的变化,一般由于增强材料表面局部氧化造成。比如硼纤维增强,铝，由于硼纤维上吸附有氧，并生成,BO,2,。,由于铝的活性强，,可以还原,BO,2,，,生成,Al,2,O,3,，,这种界面结合称为氧化结合；在,长期热效应作用下，,BO,2,的氧化膜会发生球化，这,种局部球化也会影响材料,性能。,这种暂稳态界面属于,准,类界面。,在,B,4,C,p,/Mg,、,SiC,f,或,SiC,w,/Al,中也,同样会出现这,种暂稳态界面的变化，往,往要注意这种界面不稳定,性对,MMC,性能的影响。,SiC,f,/Al,、,B4C,p,/Mg,的暂稳态界面,Chapter 3:Metal Matrix Composite,3.2.6 MMC,界面浸润,与界面反应控制,随着人们,对,MMC,界面显著影响复合材料性能认识的提高，改善增强材料和基体的润湿性以及控制界面反应的速率与反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或者界面层的产生，已成为,MMC,界面研究的重要内容。目前主要有两种方法：,增强材料的表面处理；,基体合金化（或基体改性）,Chapter 3:Metal Matrix Composite,增强材料的表面处理,增强材料的表面处理，是针对不同基体应用合适的材料,来进行表面涂覆，表面涂层可以在增强材料与基体间起到以,下作用：,改善湿润性和粘着性；,防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）；,提高增强材料的抗氧化性,减轻增强材料与基体之间的热应力集中,防止增强材料的表面损伤。,增强材料的表面处理，改善润湿性和控制界面反应的成,功事例是采用,CVD,法碳纤维涂覆,Ti-B,，,用于,Cf,/Al,基复合材,料；,在,Bf,表面涂覆,SiC,、,B4C,，,主要用于,Bf/Ti,复合材料,。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,C,f,表面处理,改善,Cf,/Al,湿润性,C,f,/Al,是一种适宜空间,技术的结构和功能复合材料。,但是碳纤维和石墨纤维的表,面能很低，一般在正常制备,温度下无法被,Al,液所润湿，,只有在,1000,高温下才能改,善其与,Al,的润湿性。右图为,不同温度下,Al,液与,C,（,石墨）,接触角与温度的关系曲线。,铝液与碳接触角与温度的关系,Chapter 3:Metal Matrix Composite,为提高碳和铝的润湿性,并控制界面反应，一般采用,CVD,法在碳纤维上,涂覆,Ti,B,涂层或镀,Na,层，取得了满,意的效果（下图）。,二元铝合金与涂,Ti-B,后,石墨的接触角和时间的关系，,可以看出不同铝基体上与石,墨有良好的润湿性,.,二元铝合金与涂,Ti-B,后,与石墨的接触角和时间的关系,Chapter 3:Metal Matrix Composite,Bf,表面处理,控制,Bf/Ti,界面反应,采用,CVD,法在,Bf,表面涂覆,SiC,、,B,4,C,，,主要用于,B,f,/Ti,复合材料。表面涂覆后，能显著降低,B,f,与基体,Ti,的界面反应产物，起到了控制,B,f,/Ti,复合材料的作用。同时,B,f,表面涂层还提高了复合材料的高温抗氧化性。,B,f,表面处理后对硼纤维,/,钛的界面反应层,厚度的影响,Chapter 3:Metal Matrix Composite,金属基改性（基体合金化）,在某些金属基复合材料体系中，采用基,体合金中添加某些合金元素以改善增强材料,和基体材料之间的浸润条件或有效控制界面,反应的方法为金属基改性。,一般基体改性合金化元素应考虑为与增,强材料组成元素化学位相近的元素，这样亲,和力大，容易发生润湿，此外化学位是推动,反应的位能，差别小，发生反应的可能性小。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,基体改性,控制界面反应,硼纤维增强钛基复合,材料硼纤维和钛的界面反,应强烈，界面反应产物,Ti,B2,是脆性物质，在达到一,定厚度后，在远低于硼纤,维断裂应变条件下，硼化,物界面层断裂，引起硼纤,维的断裂。,硼纤维,/,钛界面层开裂示意图,Chapter 3:Metal Matrix Composite,界面反应产物的厚度对,Bf/Ti,应力应变曲线的影响,Chapter 3:Metal Matrix Composite,界面反应产物厚度对,B,f,/Ti,断裂性能的影响,Chapter 3:Metal Matrix Composite,基体改性方法就是,在,Ti,合金中添加某些合金元,素，以减少界面反应的量，从而防止,TiB2,层过厚。,在钛中添加的合金元素有,：,Si,、,Sn,、,Cu,、,Ge,、,Al,、,Mo,、,V,和,Zr,等。,在,760,时，,Ti,合金,与,B,f,的界面反应生成,的,TiB,2,层厚（,X,）,与,时间（,t,）,的关系如,右图所示。,符合,硼纤维与不同成分钛基体在,760,界面反应对,TiB2,层厚度影响,Chapter 3:Metal Matrix Composite,计算这些合金与,B,的反应速度常数,K,，,得下表。,这些合金元素按界面反应速度常数,K,作用的大小分为三,类：,（,1,）没有影响。如硅和锡，,仍旧保留钛的单一活性；,（,2,）是反应速度稍有下降，,下降量和添加量正比，有稀,释作用，如铜和锗，实际上,在界面起一定的阻挡作用；,（,3,）反应速度降低明显，如,铝、钼、钒和锆。其中,Al,与,Mo,基本不与,B,反应，而,V,，,Zr,可能先与,B,反应，从而阻挡了,Ti,与,B,的反应。,不同基体与,Bf,反应速度常数常数,Chapter 3:Metal Matrix Composite,基体改性,控制界面反应,从,Ti,基体合金化与,Bf,界面反应控制，可以得出，,要控制,或减少液态基体与固态增强材料界面反应，应加入具有以下,特性的合金元素：,不与固态材料表面反应，但对液态金属基体,合金起到稀释作用；,能降低液态金属基体与增强材料的界面反应,速度常数,K,，,或者说与增强材料表面进行界面反应的,反应活化能（,E,）,低的合金元素，以优先与固态材料,表面发生界面反应从而抑止基体金属与增强材料的,界面反应。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,
展开阅读全文