金属和陶瓷界面对复合材料特性的影响

对粉末冶金、挤压铸造和液相铸造工艺制备的各种陶瓷增强铝基、钛基复合材料中金属和陶瓷的界面特性、显微结构、界面对复合材料力学性能的影响进行了初步的探讨。研究结果指出，金属和陶瓷界面存在机械结合和反应结合的不同特性，并在受载破坏时表现出不同的断裂形貌。复合材料界面上存在析出相割裂了陶瓷增强相与基体界面的联系，降低了界面结合强度，陶瓷增强相表面的物理、化学状态及基体的化学成分对金属基复合材料的特性具有重要影响。     

粉煤灰泡沫陶瓷铝基复合材料的制备及界面结合研究

以粉煤灰泡沫陶瓷作为增强相,以铝硅合金作为基体材料,采用挤压铸造工艺制备出粉煤灰泡沫陶瓷铝硅合金复合材料。研究了相同浇注温度不同基体材料以及同种基体材料不同浇注温度因素下复合材料界面结合的情况。结果表明,以亚共晶铝硅合金(ZL101)、共晶铝硅合金(ZL102)和过共晶铝硅合金(Al-23Si)作为基体材料均能制备出界面结合良好的复合材料,并且界面之间形成了一组织紧密的硅相过渡带;粉煤灰泡沫陶瓷铝硅合金复合材料的界面结合机构是机械联锁结合、存在扩散层和界面反应的混合机构;铝硅合金与粉煤灰泡沫陶瓷的界面结合能力随着温度的升高而提高,在温度低于780℃的情况下,界面易出现分离现象,780~810℃为较佳浇注温度。     

非连续增强金属基复合材料界面微结构研究

非连续增强金属基复合材料是金属基复合材料中最有工业应用前景的新材料,其中界面微结构是决定复合材料性能的关键。着重研究了SiCp原始态和氧化处理态以及Al_2O_3p等增强体在挤压铸造和搅拌铸造复合条件下,与不同的铝基和锌基合金复合后的界面微观结构特征。研究结果表明,氧化后的SiCp与基体界面的SiO_2层在电子束辐照下,将由晶态转变为非晶态,从而圆满解释了以往存在的X射线分析结果与电子衍射分析结果的矛盾。研究氧化后的SiCp与铝基体复合后的界面行为发现,对于纯铝基体,SiO_2层的形成有利于界面强度的增大,并发现在SiO_2层中存在铝元素的浓度梯度,较好地解释了由于扩散结合使界面得到加强的结果,而对于Ly12基体,由于表面的SiO_2层与基体中的镁反应生成MgAl_2O_4,使基体中含镁的强化相明显减少,削弱了时效强化的效果,使复合材料强度反而降低。 对搅拌铸造法制备的Al-Mg基复合材料,分别观察了不同增强体的界面反应产物和存在的界面取向关系,并探讨了其反应机制。最后,对SiCw增强的锌基复合材料的固态反应动力学和微观结构进行了研究,观察了晶须与基体之间的结合状态。     

骨架表面改性对SiC/Al复合材料性能的影响

采用挤压铸造法制备了SiC/Al双连续相复合材料,并对增强体SiC泡沫陶瓷骨架进行了表面改性处理,研究了网络骨架的表面粗化和表面涂覆K2ZrF6对骨架和双连续相SiC/Al复合材料性能的影响.结果表明:随着粗化时间的增加,SiC陶瓷骨架表面的粗化程度增大.粗化时间为12 min时骨架表面粗化最佳,而且保持了骨架的致密结构.SiC陶瓷骨架表面粗化增加了骨架筋的表面积,加强了界面的机械结合;SiC陶瓷骨架表面涂覆K2ZrF6,提高了基体纯铝对SiC陶瓷骨架的润湿,改善了复合材料中增强体与基体间界面的结合,增强了材料的三维连续性,提高了复合材料的力学性能.骨架表面涂覆K2ZrF6的复合材料的界面结合得最好,复合材料的强度最高,为纯铝基体的5倍.     

MAX相陶瓷增强金属基复合材料:制备、性能与仿生设计

由于原子间存在共价键、金属键与离子键的混合键合状态,MAX相陶瓷兼具金属和陶瓷材料的性能特点,并且常与金属之间表现出良好的润湿性,有助于形成强界面结合,独特的层状原子结构使MAX相陶瓷表现出良好的断裂韧性、阻尼与自润滑性能。因此,作为金属基复合材料的增强相, MAX相陶瓷具有显著优势,本文着重介绍相关研究进展。目前,MAX相陶瓷增强金属基复合材料主要通过搅拌铸造、粉末冶金和熔体浸渗等途径制备,得到的复合材料表现出优于金属基体的强度、硬度与模量,同时还具备良好的耐磨、导电、抗电弧侵蚀等性能。此外,借助真空抽滤、冰模板等工艺可实现超细片状MAX相陶瓷粉体的择优定向排列,然后利用金属熔体浸渗多孔陶瓷骨架,可获得具有类贝壳结构的MAX相陶瓷增强金属基仿生复合材料,进一步提升材料的强韧性能。MAX相陶瓷增强金属基复合材料在承载、电接触等应用领域具有显著优势和广阔前景。     

SiC泡沫陶瓷/Fe基双连续相复合材料的制备和性能

将SiC泡沫陶瓷氧化,用挤压铸造法制备SiC泡沫陶瓷/Fe基双连续相复合材料并对其退火,研究了制备工艺和SiC泡沫陶瓷的体积分数对其微观组织和力学性能的影响。结果表明,在1250℃氧化48 h后在SiC泡沫陶瓷表面生成了厚度为1 mm的SiO2反应阻挡层。在双连续相复合材料的制备过程中,SiO2反应阻挡层抑制Fe与SiC的化学反应,避免了脆性化合物Fe3Si的生成,改善了基体与增强体的界面,使复合材料的抗弯强度提高2倍,压缩强度提高18%。当SiC泡沫陶瓷的氧化时间增至72 h时,SiC泡沫陶瓷表面SiO2的厚度过大。SiO2与基体和增强体热膨胀系数不匹配,使复合材料内相界面间的残余应力增加,导致其性能下降。将SiC泡沫陶瓷/Fe基双连续相复合材料在600℃退火4 h,可降低复合材料中的残余应力,提高复合材料的性能。SiC的体积分数较低时,金属基体的桥接、偏转裂纹的作用比较大,复合材料的弯曲强度高,变形程度大。随着复合材料中SiC体积分数的增大,SiC骨架筋增粗,其承载能力加强,复合材料的压缩强度呈提高的趋势。     

碳纤维增韧陶瓷基复合材料界面的研究

综述了纤维增韧陶瓷基复合材料界面的研究现状，分析了现有的界面相的结构、界面结合类型和界面结合的机理，对碳纤维制备界面涂层方法进行了归纳总结，分析了目前碳纤维增韧陶瓷基复合材料界面材料的功能和要求，指出了今后碳纤维增韧陶瓷基复合材料界面材料发展的研究方向。     

原位合成铁基复合材料中增强相VC的微结构特征

通过反应铸造法经普通的铸造工艺成功制备了原位VCp增强铁基复合材料.VC颗粒弥散分布在基体中,以近似等轴状为主.TEM及HRTEM表明,基体和增强颗粒结合良好,界面光滑干净,增强相晶体结构完整,组织细密.由于界面的捕获及推移效应,一部分VC被推移至奥氏体晶界,一部分充当异质形核核心.     

新型复式连通SiC/390Al复合材料的制备和性能

以空心多孔SiC泡沫陶瓷为增强体,用挤压铸造法制备了新型复式连通双连续相SiC/390Al复合材料,研究了泡沫陶瓷骨架筋的结构对复合材料的影响,以及复合材料中的界面对力学性能的影响.结果表明,SiC空心多孔泡沫陶瓷与390Al复合后形成了复式连通双连续相复合材料,具有独特的互穿式界面结构,材料界面的结合优异.随着复合材料界面结合的加强和泡沫增强体的复合韧化,复合材料的屈服强度、压缩强度和弯曲强度明显提高,韧性显著增强.     

原位TiB/Ti复合材料的熔铸制备及其显微组织

结合Ti-B-Al体系的热力学及Ti-B相图,提出了可制备薄壁、复杂形状原位自生钛基复合材料构件的SMIF工艺.采用XRD、SEM和TEM等手段研究用该工艺制备的复合材料的相组成和显微组织.结果表明,钛基复合材料中生成了TiB增强相,且在基体中分布均匀,呈短纤维状;并且Al的加入使得TiB相具有较高的长径比,最高可达110.TiB增强相/基体界面清洁、无污染.受熔模精铸陶瓷型壳的激冷作用,钛基复合材料铸锭表层中TiB相垂直于铸锭的表面分布.与基体合金相比较,钛基复合材料的力学性能有了很大程度的提高.     

碳纤维增强陶瓷基复合材料界面的研究进展

界面相作为复合材料基本组元之一,其结构组成与性能对材料的性能有着极其重要的影响.综述了碳纤维增强陶瓷基复合材料界面相的功能要求、界面结合类型.阐述了界面相厚度对复合材料性能的影响,适当的界面厚度有利于复合材料获得最佳性能.重点介绍了目前碳纤维表面涂层工艺的研究现状,并分析了各种制备工艺的优缺点.最后指出了今后碳纤维增强陶瓷基复合材料界面的研究方向.     

陶瓷/碳纳米管复合材料的制备、性能及韧化机理

评述和讨论了碳纳米管增强陶瓷基复合材料的制备工艺,包括碳纳米管在陶瓷基体上的分散和材料的烧结成型,添加碳纳米管后材料力学性能、导电和导热等物理性能的改善以及韧化机理,指出碳纳米管在陶瓷材料基体上的均匀分散,碳纳米管在组织中存活,碳纳米管与陶瓷基体的界面结合状态是影响碳纳米管增强陶瓷基复合材料性能提高的关键.     

石墨烯增强铜基复合材料的界面调控及其性能研究进展

铜基复合材料有望全面提升铜及铜合金的力学性能和导电、导热等功能特性。石墨烯具有优异的力学和物理性能,是铜基复合材料的理想增强相。石墨烯/铜界面的性质决定了复合材料性能,进行界面调控以提高石墨烯/铜的界面结合性已成为研究人员关注的热点问题。总结了近几年开发的石墨烯缺陷设计法、碳-碳杂化增强相法、金属和陶瓷纳米颗粒修饰石墨烯法以及原位生长石墨烯和石墨烯复合增强相法等多种界面调控策略,讨论了多种界面调控策略对石墨烯增强铜基复合材料的力学、导电、导热性能的作用机理,展望了应用界面调控策略研发的高性能复合材料的应用前景和未来研发的发展方向。     

Nb丝增强Ti-48Al-2Cr基复合材料制备及复合机制

采用真空水冷铜坩埚感应熔炼炉及石墨型离心铸造工艺,制备了Nb丝连续增强Ti-48Al-2Cr基复合材料.测试了该复合材料的显微结构、界面结合形貌与力学性能.研究结果表明:Nb丝与基体结合良好,界面处元素发生了相互扩散,界面层组织为Ti2 AlNb相,α2-Ti3 Al相及γ-TiAl相,硬度呈梯度分布,在界面层处最高为...     

热管理用高导热碳化硅陶瓷基复合材料研究进展

碳化硅陶瓷基复合材料以其高比强度、高比模量、高导热、良好的耐烧蚀性能、高温抗氧化性、抗热震性能等特性,广泛应用于航空航天、摩擦制动、核聚变等领域,成为先进的高温结构及功能材料。本文综述了高导热碳化硅陶瓷基复合材料制备及性能等方面的最新研究进展。引入高导热相,如金刚石粉、中间相沥青基碳纤维等用以增强热输运能力;优化热解炭炭与碳化硅基体界面用以降低界面热阻;热处理用以获得结晶度更高、导热性能更好的碳化硅基体;设计预制体结构用以建立连续导热通路等方法,提高碳化硅陶瓷基复合材料的热导率。此外,本文展望了高导热碳化硅陶瓷基复合材料后续研究方向,即综合考虑影响碳化硅陶瓷基复合材料性能要素,优化探索高效、低成本的制备工艺;深入分析高导热碳化硅陶瓷基复合材料导热机理,灵活运用复合材料结构与性能的构效关系,以期制备尺寸稳定、具有优异热物理性能的各向同性高导热碳化硅陶瓷基复合材料。     

界面脱粘对正交铺设SiC/CAS复合材料基体开裂的影响

采用细观力学方法研究了正交铺设SiC/CAS复合材料在单轴拉伸载荷作用下界面脱粘对基体开裂的影响。采用断裂力学界面脱粘准则确定了0°铺层纤维/基体界面脱粘长度, 结合能量平衡法得到了主裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式3)和次裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式5)的临界开裂应力, 讨论了纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能对基体开裂应力的影响。结果表明, 模式3和模式5的基体开裂应力随纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能的增加而增加。将这一结果与Chiang考虑界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料初始基体开裂影响的试验研究结果进行对比表明, 该变化趋势与单向SiC增强玻璃陶瓷基复合材料的试验研究结果一致。     

Ni的添加对TiB2-CU基复合材料微观组织的影响

利用燃烧合成工艺原位合成了TiB2-Cu基复合材料，为了改善TiB2陶瓷和Cu基体的润湿性，将金属Ni作为合金化元素加入到TiB2-Cu复合材料。通过XRD，SEM，EPMA和TEM等检测手段对金属Ni的添加对TiB2-Cu基复合材料微观组织的影响进行了研究。结果表明，含Ni复合材料的金属粘结相的面间距比不含Ni时Cu的面间距均有不同程度的减小；Ni加入后，TiB2-Cu-Ni复合材料的组织较TiB2-Cu复合材料更加致密，但陶瓷颗粒尺寸却大于TiB2-Cu复合材料的颗粒尺寸；Ni的加入降低了复合材料的导热率和冷却速度，使得部分TiB2陶瓷颗粒有足够的时间长成棒状，同时造成TiB2陶瓷颗粒间形成更多的烧结颈；Ni的加入也改善了陶瓷与金属粘结相之间的润湿性，使陶瓷相与金属粘结相的界面结合牢固，看不到TiB2-Cu复合材料中界面脱开的现象。金属Ni的添加有利于改善TiB2-Cu基复合材料的微观组织，进而利于复合材料的致密化。     

搅拌摩擦加工制备颗粒增强铝基复合材料的研究现状及展望

铝合金作为现代工程和高新技术领域发展的关键材料之一,具有密度小、比强度和比刚度高、耐蚀性好等特点。通过在铝基体中添加增强相颗粒,制备得到的颗粒增强铝基复合材料既有铝合金良好的强度、韧性、易成形性等特点,又有颗粒的高强、高模等优点,是近年来应用最广的一类金属基复合材料。 目前,制备铝基复合材料的方法主要有粉末冶金法、铸造以及超声波法等,但这些方法在制备过程中需要较高的温度,颗粒与金属基体容易发生不良的界面反应,从而影响界面结合效果,降低复合材料的性能。搅拌摩擦加工(FSP)作为一种新型的固相加工技术,可同时实现材料微观组织的细化、致密化和均匀化。目前,FSP直接法已在铝基复合材料制备方面取得应用,主要是将增强相颗粒通过打盲孔或开槽的方式预置在金属基体内再进行FSP,进而制备出高致密度的颗粒增强铝基复合材料。因为FSP过程的温度低,颗粒与铝基体不会发生界面反应,所以该方法也被用于制备具有形状记忆效应(SME)的铝基功能复合材料。 近年研究结果表明,颗粒相对FSP制备的铝基复合材料晶粒细化起到显著作用,这有助于提高复合材料的拉伸强度、显微硬度及疲劳强度等力学性能。随着颗粒含量的增加和颗粒尺寸的减小,复合材料的力学性能得以增强。再者,减小颗粒尺寸有利于改善颗粒与基体之间的结合。另外,通过优化搅拌头的结构、形状和尺寸,以及FSP工艺参数,已经可以实现加工后颗粒相在基体中的均匀分布。 鉴于搅拌摩擦加工(FSP)直接法在制备颗粒增强铝基复合材料方面所具备的短流程、高效能以及基体与增强相颗粒界面无杂质等优势,本文对目前FSP直接法制备颗粒增强铝基复合材料的最新研究现状进行了总结。主要综述了FSP制备颗粒增强铝基复合材料过程中颗粒的含量、类型及尺寸对复合材料组织与力学性能的影响,并对颗粒分布均匀性以及颗粒与铝基体的界面问题做了阐述。文章最后深入分析了当前研究中的不足之处并展望了未来的研究方向。     

超声铸造铝基复合材料研究

一、前言 非连续增强铝基复合材料具有比模量、比强度高,耐磨损,热膨胀系数低等特点,并可用常规的加工技术进行制备,受到了材料科学界的重视,相继开发出粉末冶金,挤压铸造,流变铸造、液相铸造、喷镀沉积,爆炸复合等多种复合技术,以满足工业技术领域的不同需求。其中,增强相直接加入铝液中的液相铸造技术有成本低、工艺简便的显著特点,可广泛地推广应用。近年来,各国在理论或技术上仍继续进行研究,以进一步提高铸造复合材料性能。众所周知,提高铸造复合材料性能必须改善陶瓷增强相与铝液的润湿性,提高增强相在铝基体中分布的均匀性,抑制增强相与铝合金间的化学反应以及降低气孔率。同时,铸造复合材料的重熔性也是实现应用的重要性能之一。 对液相铸造法制备非连续增强铝基复合材料进行研究过程中,应用超声波对铝液进行振荡可以缩短增强相与铝液润湿所需要的时间,明显改善增强相在铝基体中的分布均匀性,减少气孔率,显著提高了铸造复合材料的质量。早期P.K.Rohatgi曾报道过超声可改善增强相在液金属中的润湿性,但未见到详细的研究报道。本文对超声铸造法制备铝基复合材料过程的特点,显微组织特征,断口形貌及重熔性等进行了初步的探讨。     

碳纳米管增强陶瓷材料机理研究现状

碳纳米管作为一维纳米材料,不仅重量轻,还具有强度高、韧性高等优异的力学性能,与工程结构陶瓷材料复合能够强韧化陶瓷材料的力学性能,被认为是现代结构陶瓷复合材料的理想增强体。在综合了近年碳纳米管增强陶瓷基复合材料的理论及实验方面研究结果的基础上,侧重介绍了碳纳米管增强陶瓷基复合材料的强韧化机理,如细化晶粒增韧、短纤维增韧、碳纳米管独特的坍塌增韧、多壁碳纳米管抽出增韧机制,并讨论了采用剪切滞后理论模型对碳纳米管与陶瓷基体的微观界面结合力学性能模拟的研究结果。分析了国内外碳纳米管在陶瓷基体中强韧化机理的实验及模拟研究结果,总结了当前碳纳米管增强陶瓷复合材料的研究困境与存在的问题,并指出了今后理论和实验研究的方向。