7.金属基复合材料-2015.ppt

7.金属基复合材料 ——典型的几种金属基复合材料 7.1 金属 7.2 金属基复合材料 第一类界面（互不反应亦不溶解）： 界面微观是平整的，而且只有分子层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含其它物质。 第二类界面（互不反应但相互溶解）： 基体与增强相经过扩散 – 渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周围，如纤维周围，形成溶解扩散层。 第三类界面（反应性界面）： 界面处有微米和亚微米级的界面反应物质层。有时并不是一个完整的界面层，而是在界面上存在着界面反应产物。 3）金属基复合材料的界面结合 在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的结合力。 在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。 只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。 3）金属基复合材料的界面结合 （1）机械结合：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的机械“锚固”力结合。 （2）浸润与溶解结合：第二类界面。如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的性能。如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维/镍基复合材料在600?C下碳在镍中先溶解后析出的现象等。 （3）化学反应结合：第三类界面。大多数金属基复合材料的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要存在着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。 4）金属基复合材料的界面化学反应类型： （1）连续界面化学反应： 在制备过程的热处理和复合材料热使用过程，界面化学反应可连续进行。 影响界面反应的主要因素是温度和时间。界面反应物的量（或界面层厚度）随温度和时间的变化发生变化。 如碳纤维/铝基复合材料的界面层是因铝原子扩散进碳原子，造成碳纤维表面的刻蚀，形成Al4C3 。 在400?C以下，Al4C3的量基本是稳定的；高于400?C时，反应物量急剧增加。 4）金属基复合材料的界面化学反应类型： （2）交换式反应： 增强相与含两种以上元素的金属基体之间发生反应后，反应产物还会与其它基体元素发生交换反应，产生界面的不稳定。 如硼纤维/Ti-8Al-1Mo-1V复合材料，首先是含铝的钛合金与硼反应：Ti（Al）+ B ? （Ti、Al）B2 ； 该反应产物可能与钛继续进行交换反应： （Ti、Al）B2 + Ti? TiB2 + Ti（Al） 这样，界面反应物中的铝又会重新富集在基体合金一侧，甚至形成Ti3Al金属间化合物。 4）金属基复合材料的界面化学反应类型： （3）暂稳态界面的变化 一般是由于增强相表面局部氧化所造成的。 如在硼铝复合材料中，硼纤维上吸附有氧，并生成不稳定的BO2 。 铝与氧的亲和力很强，在一定温度下可还原BO2生成Al2O3。在长期热效应的作用下，界面上的BO2会发生球化，影响复合材料的性能。 金属基复合材料的化学反应结合是其主要结合方式。以上反应类型影响复合材料的界面稳定性。严格控制界面反应是一个重要的课题。 在金属基复合材料的结构设计中，应注意增强纤维与金属基体的物理相容性，物理相容性中最重要的是要求纤维和基体的热膨胀系数匹配。即要求金属基体有足够的韧性和强度，以便能更好地通过界面将载荷传递给增强纤维； 因此，在选择金属基复合材料的组分材料时，为避免过高的残余应力，要求增强纤维与基体的热膨胀系数不要相差很大。 6）金属基复合材料的界面优化以及界面设计 a) 增强剂的表面改性处理 （1）改善增强剂的力学性能（保护层）； （2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）； （3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应 (阻挡层)； （4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）。 b) 金属基体改性（添加微量合金元素） 在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。 （1）控制界面反应。如在纯钛中加入合金元素Al、Mo、V、Zr等可显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。 （2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间。如采用液态浸渗法制备铝基复料时，在铝液中加入一定量的Si元素，明显地降低了铝合金的熔点、提高了铝液的流动性，因而降低了复合材料的浸渗温度。 1）金属基复合材料的使用要求 金属基复合材料构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据。 航天航空领域：高比强度、比模量、尺寸稳定性、密度小。 如：镁合