《鄭州大學復合材料學課件第三章MMC3》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《鄭州大學復合材料學課件第三章MMC3（21頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。
1、*,*,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,3.2.5,界面反應,界面反應是影響具有第,類界面的復合材料界面穩定性,的化學因素。增強材料與基體發生界面反應時,當形成大量脆,性化合物，削弱界面的作用，界面在應力作用下發生，引起,增強材料的斷裂，從而影響復合材料性能的穩定性。界面反,應的發生與增強材料和基體的性質有關，與反應的溫度、時,間有關。,MMC,界面反應分為：,連續界面反應；,交換式界面反應；,暫穩態界面變化。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,連續界面反應,MMC,在,制備過程中，或在熱處理過程，也可,在
2、高溫使用過程，增強材料與基體的界面反應連續,進行。連續界面反應可以,發生在基體或增強材料一,側，也可以在基體和增強材料界面上同時進行。,影響,MMC,連續界面反應的因素主要有溫度、時,間。反應的量會隨溫度的變化和時間的長短發生變,化。這類界面反應的典型如,Cf,/Ni,、,Bf/Ti,、,Cf,/Al,以,及,SiCf,/Ti,等。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,連續界面反應,B,f,/Ti-6Al-4V,連續界面反應,B,f,/Ti-6Al-4V,的,連續界面反應，一般是發生在,B,f,一,側。,B,f,表面,B,原子通過界面層向,Ti,基體擴散（,在,B
3、,f,內部,留下空洞），并,與,Ti,反應生成,TiB2,界面反應產物。在,一定溫度和時間條件下，界面反應是連續進行的。,B,f,/Ti-6Al-4V,，,經,850100h,后界面反應,Chapter 3:Metal Matrix Composite,B,f,/Ti,界面反應與溫度及時間關系,圖,4.22,各種溫度下的,Bf/Ti,的界面反應物厚度與時間的關系,Bf/Ti,的界面反應受擴散過程控制，界面反應層厚度（,X,）,與反應時間的平方根呈線性關系，即：,其中，,K,為反應速度常數；,t,為反應時間（,s,）,Chapter 3:Metal Matrix Composite,連續界面反應
4、,C,f,/Al,連續界面反應,Cf,/Al,的,連續界面反應，根據微觀觀察界面反應產物出現的位置，以及,Cf,表面變化情況，說明界面反應是發生在,Al,基體一側。而且與溫度有明顯的關系。,不同,Cf,/Al,界面反應,a),反應產物,Al,4,C,3,量隨熱處理溫度的變化,以及,b),對復合材料強度的影響,Chapter 3:Metal Matrix Composite,連續界面反應,SiCf,/Ti,連續界面反應,SiCf,/Ti,連續界面反應屬,于發生在增強材料與基體界,面兩側。并且界面反應產物,也與,Si,、,C,和,Ti,的原子擴散速,度有關。,SiCf,/Ti,連續界面反應產,物在
5、界面上是靠,Ti,基體一側,為,Si,m,Ti,n,化,物，中間是,TiSiC,化合物，而靠,SiCf,一側是,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,SimTin,化物的組成，請參看：,朱艷、楊延清、馬志軍、陳彥等，,SiC,/Ti,基復,合材料界面反應的熱力學研究，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,當增強材料含有兩種以上元素的金屬基體之間發生化學反應，形成反應產
6、物后，反應產物還會與其他基體元素發生交換反應，產生界面的不穩定。例如硼纖維增強含鋁較高的鈦合金（,Ti-8Al-1Mo-1V),在硼纖維和基體界面上會發生交換反應。,Ti(Al),B,（,Ti,、,Al,）,B,2,（,Ti,、,Al,）,B,2,Ti,TiB,2,Ti(Al),即界面先反應生成,(Ti,Al)B,2,界面反應產物，該產物可能與,Ti,繼續進行交換反應生成,TiB,2,和,Ti,（,Al,）。,這樣，界面反應,物中的鋁又會重新聚集與基體,合金一側。,Bf/Ti-6Al-4V,界面交換反應示意圖,Chapter 3:Metal Matrix Composite,暫穩態界面的變化,
7、一般由于增強材料表面局部氧化造成。比如硼纖維增強,鋁，由于硼纖維上吸附有氧，并生成,BO,2,。,由于鋁的活性強，,可以還原,BO,2,，,生成,Al,2,O,3,，,這種界面結合稱為氧化結合；在,長期熱效應作用下，,BO,2,的氧化膜會發生球化，這,種局部球化也會影響材料,性能。,這種暫穩態界面屬于,準,類界面。,在,B,4,C,p,/Mg,、,SiC,f,或,SiC,w,/Al,中也,同樣會出現這,種暫穩態界面的變化，往,往要注意這種界面不穩定,性對,MMC,性能的影響。,SiC,f,/Al,、,B4C,p,/Mg,的暫穩態界面,Chapter 3:Metal Matrix Composi
8、te,3.2.6 MMC,界面浸潤,與界面反應控制,隨著人們,對,MMC,界面顯著影響復合材料性能認識的提高，改善增強材料和基體的潤濕性以及控制界面反應的速率與反應產物的數量，防止嚴重危害復合材料性能的界面或者界面層的產生，已成為,MMC,界面研究的重要內容。目前主要有兩種方法：,增強材料的表面處理；,基體合金化（或基體改性）,Chapter 3:Metal Matrix Composite,增強材料的表面處理,增強材料的表面處理，是針對不同基體應用合適的材料,來進行表面涂覆，表面涂層可以在增強材料與基體間起到以,下作用：,改善濕潤性和粘著性；,防止相互擴散、滲透和反應（阻擋層）；,提高增強材
9、料的抗氧化性,減輕增強材料與基體之間的熱應力集中,防止增強材料的表面損傷。,增強材料的表面處理，改善潤濕性和控制界面反應的成,功事例是采用,CVD,法碳纖維涂覆,Ti-B,，,用于,Cf,/Al,基復合材,料；,在,Bf,表面涂覆,SiC,、,B4C,，,主要用于,Bf/Ti,復合材料,。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,C,f,表面處理,改善,Cf,/Al,濕潤性,C,f,/Al,是一種適宜空間,技術的結構和功能復合材料。,但是碳纖維和石墨纖維的表,面能很低，一般在正常制備,溫度下無法被,Al,液所潤濕，,只有在,1000,高溫下才能改,善其與,Al,的潤濕
10、性。右圖為,不同溫度下,Al,液與,C,（,石墨）,接觸角與溫度的關系曲線。,鋁液與碳接觸角與溫度的關系,Chapter 3:Metal Matrix Composite,為提高碳和鋁的潤濕性,并控制界面反應，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,石墨的接觸角和時間的關系，,可以看出不同鋁基體上與石,墨有良好的潤濕性,.,二元鋁合金與涂,Ti-B,后,與石墨的接觸角和時間的關系,Chapter 3:Metal Matrix Composite,Bf,表面處理,控制,Bf/Ti,界面反應,采用,CVD,法在
11、,Bf,表面涂覆,SiC,、,B,4,C,，,主要用于,B,f,/Ti,復合材料。表面涂覆后，能顯著降低,B,f,與基體,Ti,的界面反應產物，起到了控制,B,f,/Ti,復合材料的作用。同時,B,f,表面涂層還提高了復合材料的高溫抗氧化性。,B,f,表面處理后對硼纖維,/,鈦的界面反應層,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材料,和基體材料之間的浸潤條件或有效控制界面,反應的方法為金屬基改性。,一般基體改性合金化元素應考慮為與增,強材料組成元素化學位相近的
12、元素，這樣親,和力大，容易發生潤濕，此外化學位是推動,反應的位能，差別小，發生反應的可能性小。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,基體改性,控制界面反應,硼纖維增強鈦基復合,材料硼纖維和鈦的界面反,應強烈，界面反應產物,Ti,B2,是脆性物質，在達到一,定厚度后，在遠低于硼纖,維斷裂應變條件下，硼化,物界面層斷裂，引起硼纖,維的斷裂。,硼纖維,/,鈦界面層開裂示意圖,Chapter 3:Metal Matrix Composite,界面反應產物的厚度對,Bf/Ti,應力應變曲線的影響,Chapter 3:Metal Matrix Composite,界面反應產物
13、厚度對,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，以減少界面反應的量，從而防止,TiB2,層過厚。,在鈦中添加的合金元素有,：,Si,、,Sn,、,Cu,、,Ge,、,Al,、,Mo,、,V,和,Zr,等。,在,760,時，,Ti,合金,與,B,f,的界面反應生成,的,TiB,2,層厚（,X,）,與,時間（,t,）,的關系如,右圖所示。,符合,硼纖維與不同成分鈦基體在,760,界面反應對,TiB2,層厚度影響,Chapter 3:Metal Matrix Composite,計算這些合
14、金與,B,的反應速度常數,K,，,得下表。,這些合金元素按界面反應速度常數,K,作用的大小分為三,類：,（,1,）沒有影響。如硅和錫，,仍舊保留鈦的單一活性；,（,2,）是反應速度稍有下降，,下降量和添加量正比，有稀,釋作用，如銅和鍺，實際上,在界面起一定的阻擋作用；,（,3,）反應速度降低明顯，如,鋁、鉬、釩和鋯。其中,Al,與,Mo,基本不與,B,反應，而,V,，,Zr,可能先與,B,反應，從而阻擋了,Ti,與,B,的反應。,不同基體與,Bf,反應速度常數常數,Chapter 3:Metal Matrix Composite,基體改性,控制界面反應,從,Ti,基體合金化與,Bf,界面反應控制，可以得出，,要控制,或減少液態基體與固態增強材料界面反應，應加入具有以下,特性的合金元素：,不與固態材料表面反應，但對液態金屬基體,合金起到稀釋作用；,能降低液態金屬基體與增強材料的界面反應,速度常數,K,，,或者說與增強材料表面進行界面反應的,反應活化能（,E,）,低的合金元素，以優先與固態材料,表面發生界面反應從而抑止基體金屬與增強材料的,界面反應。,Chapter 3:Metal Matrix Composite,
鄭州大學復合材料學課件第三章MMC3
