鄭州大學(xué)復(fù)合材料學(xué)課件第三章MMC3

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1、*,*,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),3.2.5,界面反應(yīng),界面反應(yīng)是影響具有第,類(lèi)界面的復(fù)合材料界面穩(wěn)定性,的化學(xué)因素。增強(qiáng)材料與基體發(fā)生界面反應(yīng)時(shí),當(dāng)形成大量脆,性化合物，削弱界面的作用，界面在應(yīng)力作用下發(fā)生，引起,增強(qiáng)材料的斷裂，從而影響復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性。界面反,應(yīng)的發(fā)生與增強(qiáng)材料和基體的性質(zhì)有關(guān)，與反應(yīng)的溫度、時(shí),間有關(guān)。,MMC,界面反應(yīng)分為：,連續(xù)界面反應(yīng)；,交換式界面反應(yīng)；,暫穩(wěn)態(tài)界面變化。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,連續(xù)界面反應(yīng),MMC,在,制備過(guò)程中，或在熱處理過(guò)程，也可,在

2、高溫使用過(guò)程，增強(qiáng)材料與基體的界面反應(yīng)連續(xù),進(jìn)行。連續(xù)界面反應(yīng)可以,發(fā)生在基體或增強(qiáng)材料一,側(cè)，也可以在基體和增強(qiáng)材料界面上同時(shí)進(jìn)行。,影響,MMC,連續(xù)界面反應(yīng)的因素主要有溫度、時(shí),間。反應(yīng)的量會(huì)隨溫度的變化和時(shí)間的長(zhǎng)短發(fā)生變,化。這類(lèi)界面反應(yīng)的典型如,Cf,/Ni,、,Bf/Ti,、,Cf,/Al,以,及,SiCf,/Ti,等。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,連續(xù)界面反應(yīng),B,f,/Ti-6Al-4V,連續(xù)界面反應(yīng),B,f,/Ti-6Al-4V,的,連續(xù)界面反應(yīng)，一般是發(fā)生在,B,f,一,側(cè)。,B,f,表面,B,原子通過(guò)界面層向,Ti,基體擴(kuò)散（,在,B

3、,f,內(nèi)部,留下空洞），并,與,Ti,反應(yīng)生成,TiB2,界面反應(yīng)產(chǎn)物。在,一定溫度和時(shí)間條件下，界面反應(yīng)是連續(xù)進(jìn)行的。,B,f,/Ti-6Al-4V,，,經(jīng),850100h,后界面反應(yīng),Chapter 3:Metal Matrix Composite,B,f,/Ti,界面反應(yīng)與溫度及時(shí)間關(guān)系,圖,4.22,各種溫度下的,Bf/Ti,的界面反應(yīng)物厚度與時(shí)間的關(guān)系,Bf/Ti,的界面反應(yīng)受擴(kuò)散過(guò)程控制，界面反應(yīng)層厚度（,X,）,與反應(yīng)時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系，即：,其中，,K,為反應(yīng)速度常數(shù)；,t,為反應(yīng)時(shí)間（,s,）,Chapter 3:Metal Matrix Composite,連續(xù)界面反應(yīng)

4、,C,f,/Al,連續(xù)界面反應(yīng),Cf,/Al,的,連續(xù)界面反應(yīng)，根據(jù)微觀觀察界面反應(yīng)產(chǎn)物出現(xiàn)的位置，以及,Cf,表面變化情況，說(shuō)明界面反應(yīng)是發(fā)生在,Al,基體一側(cè)。而且與溫度有明顯的關(guān)系。,不同,Cf,/Al,界面反應(yīng),a),反應(yīng)產(chǎn)物,Al,4,C,3,量隨熱處理溫度的變化,以及,b),對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響,Chapter 3:Metal Matrix Composite,連續(xù)界面反應(yīng),SiCf,/Ti,連續(xù)界面反應(yīng),SiCf,/Ti,連續(xù)界面反應(yīng)屬,于發(fā)生在增強(qiáng)材料與基體界,面兩側(cè)。并且界面反應(yīng)產(chǎn)物,也與,Si,、,C,和,Ti,的原子擴(kuò)散速,度有關(guān)。,SiCf,/Ti,連續(xù)界面反應(yīng)產(chǎn),物在

5、界面上是靠,Ti,基體一側(cè),為,Si,m,Ti,n,化,物，中間是,TiSiC,化合物，而靠,SiCf,一側(cè)是,TiC,。,SiCf/Ti-6Al-4V,的界面,不同位置俄歇電子能譜線掃描,Chapter 3:Metal Matrix Composite,有關(guān),SimTin,化物的組成，請(qǐng)參看：,朱艷、楊延清、馬志軍、陳彥等，,SiC,/Ti,基復(fù),合材料界面反應(yīng)的熱力學(xué)研究，稀有金屬材料與工,程，,2002,，,vol.31,No.4,279-282,Chapter 3:Metal Matrix Composite,交換式反應(yīng),當(dāng)增強(qiáng)材料含有兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)

6、物后，反應(yīng)產(chǎn)物還會(huì)與其他基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不穩(wěn)定。例如硼纖維增強(qiáng)含鋁較高的鈦合金（,Ti-8Al-1Mo-1V),在硼纖維和基體界面上會(huì)發(fā)生交換反應(yīng)。,Ti(Al),B,（,Ti,、,Al,）,B,2,（,Ti,、,Al,）,B,2,Ti,TiB,2,Ti(Al),即界面先反應(yīng)生成,(Ti,Al)B,2,界面反應(yīng)產(chǎn)物，該產(chǎn)物可能與,Ti,繼續(xù)進(jìn)行交換反應(yīng)生成,TiB,2,和,Ti,（,Al,）。,這樣，界面反應(yīng),物中的鋁又會(huì)重新聚集與基體,合金一側(cè)。,Bf/Ti-6Al-4V,界面交換反應(yīng)示意圖,Chapter 3:Metal Matrix Composite,暫穩(wěn)態(tài)界面的變化,

7、一般由于增強(qiáng)材料表面局部氧化造成。比如硼纖維增強(qiáng),鋁，由于硼纖維上吸附有氧，并生成,BO,2,。,由于鋁的活性強(qiáng)，,可以還原,BO,2,，,生成,Al,2,O,3,，,這種界面結(jié)合稱(chēng)為氧化結(jié)合；在,長(zhǎng)期熱效應(yīng)作用下，,BO,2,的氧化膜會(huì)發(fā)生球化，這,種局部球化也會(huì)影響材料,性能。,這種暫穩(wěn)態(tài)界面屬于,準(zhǔn),類(lèi)界面。,在,B,4,C,p,/Mg,、,SiC,f,或,SiC,w,/Al,中也,同樣會(huì)出現(xiàn)這,種暫穩(wěn)態(tài)界面的變化，往,往要注意這種界面不穩(wěn)定,性對(duì),MMC,性能的影響。,SiC,f,/Al,、,B4C,p,/Mg,的暫穩(wěn)態(tài)界面,Chapter 3:Metal Matrix Composi

8、te,3.2.6 MMC,界面浸潤(rùn),與界面反應(yīng)控制,隨著人們,對(duì),MMC,界面顯著影響復(fù)合材料性能認(rèn)識(shí)的提高，改善增強(qiáng)材料和基體的潤(rùn)濕性以及控制界面反應(yīng)的速率與反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴(yán)重危害復(fù)合材料性能的界面或者界面層的產(chǎn)生，已成為,MMC,界面研究的重要內(nèi)容。目前主要有兩種方法：,增強(qiáng)材料的表面處理；,基體合金化（或基體改性）,Chapter 3:Metal Matrix Composite,增強(qiáng)材料的表面處理,增強(qiáng)材料的表面處理，是針對(duì)不同基體應(yīng)用合適的材料,來(lái)進(jìn)行表面涂覆，表面涂層可以在增強(qiáng)材料與基體間起到以,下作用：,改善濕潤(rùn)性和粘著性；,防止相互擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)（阻擋層）；,提高增強(qiáng)材

9、料的抗氧化性,減輕增強(qiáng)材料與基體之間的熱應(yīng)力集中,防止增強(qiáng)材料的表面損傷。,增強(qiáng)材料的表面處理，改善潤(rùn)濕性和控制界面反應(yīng)的成,功事例是采用,CVD,法碳纖維涂覆,Ti-B,，,用于,Cf,/Al,基復(fù)合材,料；,在,Bf,表面涂覆,SiC,、,B4C,，,主要用于,Bf/Ti,復(fù)合材料,。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,C,f,表面處理,改善,Cf,/Al,濕潤(rùn)性,C,f,/Al,是一種適宜空間,技術(shù)的結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料。,但是碳纖維和石墨纖維的表,面能很低，一般在正常制備,溫度下無(wú)法被,Al,液所潤(rùn)濕，,只有在,1000,高溫下才能改,善其與,Al,的潤(rùn)濕

10、性。右圖為,不同溫度下,Al,液與,C,（,石墨）,接觸角與溫度的關(guān)系曲線。,鋁液與碳接觸角與溫度的關(guān)系,Chapter 3:Metal Matrix Composite,為提高碳和鋁的潤(rùn)濕性,并控制界面反應(yīng)，一般采用,CVD,法在碳纖維上,涂覆,Ti,B,涂層或鍍,Na,層，取得了滿,意的效果（下圖）。,二元鋁合金與涂,Ti-B,后,石墨的接觸角和時(shí)間的關(guān)系，,可以看出不同鋁基體上與石,墨有良好的潤(rùn)濕性,.,二元鋁合金與涂,Ti-B,后,與石墨的接觸角和時(shí)間的關(guān)系,Chapter 3:Metal Matrix Composite,Bf,表面處理,控制,Bf/Ti,界面反應(yīng),采用,CVD,法在

11、,Bf,表面涂覆,SiC,、,B,4,C,，,主要用于,B,f,/Ti,復(fù)合材料。表面涂覆后，能顯著降低,B,f,與基體,Ti,的界面反應(yīng)產(chǎn)物，起到了控制,B,f,/Ti,復(fù)合材料的作用。同時(shí),B,f,表面涂層還提高了復(fù)合材料的高溫抗氧化性。,B,f,表面處理后對(duì)硼纖維,/,鈦的界面反應(yīng)層,厚度的影響,Chapter 3:Metal Matrix Composite,金屬基改性（基體合金化）,在某些金屬基復(fù)合材料體系中，采用基,體合金中添加某些合金元素以改善增強(qiáng)材料,和基體材料之間的浸潤(rùn)條件或有效控制界面,反應(yīng)的方法為金屬基改性。,一般基體改性合金化元素應(yīng)考慮為與增,強(qiáng)材料組成元素化學(xué)位相近的

12、元素，這樣親,和力大，容易發(fā)生潤(rùn)濕，此外化學(xué)位是推動(dòng),反應(yīng)的位能，差別小，發(fā)生反應(yīng)的可能性小。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,基體改性,控制界面反應(yīng),硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合,材料硼纖維和鈦的界面反,應(yīng)強(qiáng)烈，界面反應(yīng)產(chǎn)物,Ti,B2,是脆性物質(zhì)，在達(dá)到一,定厚度后，在遠(yuǎn)低于硼纖,維斷裂應(yīng)變條件下，硼化,物界面層斷裂，引起硼纖,維的斷裂。,硼纖維,/,鈦界面層開(kāi)裂示意圖,Chapter 3:Metal Matrix Composite,界面反應(yīng)產(chǎn)物的厚度對(duì),Bf/Ti,應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響,Chapter 3:Metal Matrix Composite,界面反應(yīng)產(chǎn)物

13、厚度對(duì),B,f,/Ti,斷裂性能的影響,Chapter 3:Metal Matrix Composite,基體改性方法就是,在,Ti,合金中添加某些合金元,素，以減少界面反應(yīng)的量，從而防止,TiB2,層過(guò)厚。,在鈦中添加的合金元素有,：,Si,、,Sn,、,Cu,、,Ge,、,Al,、,Mo,、,V,和,Zr,等。,在,760,時(shí)，,Ti,合金,與,B,f,的界面反應(yīng)生成,的,TiB,2,層厚（,X,）,與,時(shí)間（,t,）,的關(guān)系如,右圖所示。,符合,硼纖維與不同成分鈦基體在,760,界面反應(yīng)對(duì),TiB2,層厚度影響,Chapter 3:Metal Matrix Composite,計(jì)算這些合

14、金與,B,的反應(yīng)速度常數(shù),K,，,得下表。,這些合金元素按界面反應(yīng)速度常數(shù),K,作用的大小分為三,類(lèi)：,（,1,）沒(méi)有影響。如硅和錫，,仍舊保留鈦的單一活性；,（,2,）是反應(yīng)速度稍有下降，,下降量和添加量正比，有稀,釋作用，如銅和鍺，實(shí)際上,在界面起一定的阻擋作用；,（,3,）反應(yīng)速度降低明顯，如,鋁、鉬、釩和鋯。其中,Al,與,Mo,基本不與,B,反應(yīng)，而,V,，,Zr,可能先與,B,反應(yīng)，從而阻擋了,Ti,與,B,的反應(yīng)。,不同基體與,Bf,反應(yīng)速度常數(shù)常數(shù),Chapter 3:Metal Matrix Composite,基體改性,控制界面反應(yīng),從,Ti,基體合金化與,Bf,界面反應(yīng)控制，可以得出，,要控制,或減少液態(tài)基體與固態(tài)增強(qiáng)材料界面反應(yīng)，應(yīng)加入具有以下,特性的合金元素：,不與固態(tài)材料表面反應(yīng)，但對(duì)液態(tài)金屬基體,合金起到稀釋作用；,能降低液態(tài)金屬基體與增強(qiáng)材料的界面反應(yīng),速度常數(shù),K,，,或者說(shuō)與增強(qiáng)材料表面進(jìn)行界面反應(yīng)的,反應(yīng)活化能（,E,）,低的合金元素，以?xún)?yōu)先與固態(tài)材料,表面發(fā)生界面反應(yīng)從而抑止基體金屬與增強(qiáng)材料的,界面反應(yīng)。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,