第七章 金属基复合材料界面 表界面课件.ppt

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1、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照片第七章金属基复合材料界面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

2、物、硼化物等组成的非均质材料。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。硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀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后的数字为碳化钛含量。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。硬质合金模具硬质合金轴承刀具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

3、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。金属基复合材料MMCMMC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MMC界面结合形式分五种：（1）机械结合无化学作用的

4、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）

5、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。(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O2AlB纤维BO2B+Al2O3（5）混合结合（2）溶解和润湿结合—II类结合BTiTiB2(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60b.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

6、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.SEMthefracturesurfaceofasilver-copperalloyreinforcedwithcarbonfibers.化学不稳定因素主

7、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(2)化学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: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集于界面层中，同时化合物的元素与基体中的元素不断交换直到平衡。第二步造成在界面层附近的合金基体中缺少在化合物中富集的某元素起反应，从而使非界面化