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1、铝基复合材料增强体涂层与界面,1.复合材料2.增强体颗粒的简介以及优势3.复合材料界面、铝基复合材料的特点4.涂层的种类5.增强相涂层对铝基复合材料界面的影响6.结束语,目录,1.复合材料,1.1复合材料的特点：(1)由两种或多种不同性能的组分通过宏观或微观复合在一起的新材料，组分之间存在明显的界面。(2)各组分保持各自固有特性的同时，可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。(3)复合材料具有可设计性。,1.2复合材料的基本结构复合材料由基体和增强相两个组分组成。复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体；另外一个相是以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的
2、性能优越，会使材料的性能显著改善和增强，称为增强相（增强剂、增强体）。增强剂（相）一般比基体硬，强度、模量较基体大。可以是纤维状、颗粒状或层片状,2.增强体颗粒的简介以及优势,1.力学性能 强度高（s=1.4-2.5GPa），模量大（E=（2.5-4.6）102GPa2.物理性能 密度小(r1.5-2.0g/cm3)；耐温性好(250-2000)；热膨胀系数（平行纤维轴为负，垂直纤维轴为正）；导电性好；自润滑性3.化学性能 氧化性（200 以上在空气中氧化）耐腐蚀性好（耐酸碱、耐水）,2.1碳纤维的性能：,2.1.2 增强体碳纤维形貌,2.2碳化硅的性能:高强（4.5GPa），高模量（200-
3、400GPa）化学稳定性好，耐酸碱耐高温（1300，强度不变；1000/氧化气氛，强度不变）与各种基体相容性好（金属基、陶瓷基、树脂基复合材料）,2.3氧化铝纤维的性能：优异的高温力学性能抗化学腐蚀低的导热率,Al2O3纤维,Al2O3片,3.1复合材料界面 3.1.1复合材料界面的定义,复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。复合材料中的界面并不是一个单纯的几何面，而是一个多层结构的过渡区域，界面区是从与增强体内部性质不同的某一点开始，直到与基体内部性质相一致的点间的区域。,3.复合界面、铝基复合的特点,3.1.2复合材料界面的的功
4、能及改进（1）复合材料中界面的功能 在理想的复合材料中，界面相应具有的功能包括：传递载荷界面相有足够的强度来传递载荷，调节复合材料中的应力分布；“缓解层”作用界面相应能缓解界面热应力；“阻挡层”作用界面相应能阻挡元素扩散和阻缓发生有害化学反应，减少纤维的化学损伤；高温下抗氧化界面相能在纤维周围构成阻碍氧气接触纤维的一道屏障，有效地保护纤维；“松粘层”作用界面结合适中，即能传递载荷，又能适时地脱粘（解离），使扩展到界面的基体裂纹沿解离的界面层发生偏转。当界面相不具备某种功能时，会造成该复合材料性能劣化甚至失去使用价值。为此应进行界面控制。,（2）控制界面相的技术途径 界面控制主要是调节界面结合强
5、度和改善界面区微观结构。控制界面相的措施包括：原位反应使纤维表面富积某种有益的元素，例如碳；加添加剂使基体含有某些成份，富集在纤维周围，以控制界面相的成份与结构；纤维涂层保护纤维免受化学腐蚀。而纤维涂层构成了纤维与基体之间的界面相，或者说成为界面相的主要部分，所以对于调节界面结合强度最有效。,3.2铝基复合材料的特点,铝基复合材料因其具有密度低、基体合金选择范围广、可热处理性好、制备工艺灵活多样等优点，所以应用领域比较广泛。,4.涂层的分类,按功能分类：（1）润湿涂层（2）阻挡反应涂层（3）调节界面涂层按结构分类：（1）单涂层（2）双涂层（3）复合涂层,单涂层的作用是有限的,如仅能起到润湿或阻
6、挡界面反应的作用。为了满足界面的复杂要求,多功能的多层涂层愈来愈受到重视。当使用合适的多层涂层时,除了具有单涂层的功能以外,还有许多其他功能,如在材料的制备过程中释放残余应力,调节界面剪切强度等。而复合材料涂层的功能更强大些。如下图为金属基复合材料增强相涂层：,5.增强相涂层对铝基复合材料界面的影响,5.1碳纤维增强铝基复合材料 5.1.1碳纤维增强铝基复合材料的优点 碳纤维增强铝基复合材料具有密度小、比强度高、比模量高、热膨胀系数小等一系列优异特性。5.1.2碳纤维存在的缺陷在碳纤维复合材料中,由于碳纤维直径很小,界面面积占有很大比例。由于碳纤维表面惰性大、表面能低,缺乏有化学活性的官能团,
7、反应活性低,与基体的粘结性差,界面中存在较多的缺陷,5.1.3涂层改性碳纤维及其对复合材料界面的影响 为了在较低压力下金属基体与增强相复合良好，有效的方法是在增强相表面涂覆与基体润湿较好的润湿涂层，一般是金属涂层，常用的有Ni,Cu等。金属基体常与增强相发生反应，这既损伤增强相，又产生一系列对界面性能不利的反应产物，因此有必要在增强相表面涂覆阻挡反应涂层。陶瓷材料耐高温，化学稳定性好，可有效阻止金属基体与增强相相互反应，因而常被用作阻挡反应涂层.常用的碳化物、氧化物和硼化物涂层SiC,TiC,A1203,Si02,TiB2等。,直接影响了复合材料的力学性能,限制了碳纤维高性能的发挥。为了改善界
8、面性能,充分利用界面效应的有利因素,可以通过对碳纤维进行表面改性的办法来提高其对基体的浸润性和粘结性。,涂层既影响增强体本身性能又影响复合材料界面结构,从而影响复合材料各种性能。（1）金属涂层通过电解、电渗、化学镀方法在碳纤维表面涂Ni,Cu,有利于碳纤维在基体铝中的分散,增强其润湿性。碳纤维化学镀Ag涂层在铝液中很快溶解掉,因而碳纤维与铝液间润湿性的改善并非完全由于Al与Ag的润湿行为,而主要在于Ag涂层能使碳纤维表面保持清洁。（2）碳化物、硼化物、氧化物 在碳纤维表面涂覆的陶瓷涂层主要起着阻止纤维向铝基体扩散的屏障作用。,SiC涂层就属于陶瓷涂层，能有效地阻止纤维的氧化并且提高了纤维和熔体
9、铝的润湿性。涂层的存在阻止了界面化学反应的发生,而且还使复合材料的强度相对于未改性纤维增强的复合材料提高了189%。B4C层碳纤维既起着有效的化学保护作用,又起着防止在材料的制备过程中纤维发生氧化。碳纤维上涂覆一层焦化石墨,能使其增强的Al-4.5Mg基复合材料的拉伸强度从576MPa增加到669MPa。,美国麻省理工学院Cornie等人对涂层提出异议，他们认为虽然涂SiC后。C/Al复合材料强度会提高，但断裂韧性最多只有原来的一半。德国人则仍坚持碳纤维表面必须有阻挡反应层，通过XBS及AES分析后认为SiC,C或其混合物涂层均可有效防止碳纤维与基体的反应，但其效果还取决于涂层的原子比和结构在
10、碳纤维表面上用CVD法沉积C/SiC/Si梯度涂层所制C/Al复合材料的抗拉强度达1250 MPa(体积分数价为0.35)，表明梯度涂层的增强效果优于其它涂层。,5.2氧化铝纤维增强铝基复合材料 5.2.1氧化铝纤维增强铝基复合材料的优点 利用氧化铝增强铝基复合材料具有高强度和耐磨、耐热冲击性能、低的热膨胀系数等有利的性能，有利于改善汽车发动的效率。5.2.2氧化铝纤维增强铝基复合材料的缺陷 氧化铝纤维的缺点是密度大、脆性大、主要用于增强金属基和聚合物。当温度低于900K时,其与基体的润湿性很差。,5.2.3涂层改性氧化铝及其对界面性能的影响表面涂Ni的氧化铝颗粒增强2024铝合金复合材料,其
11、拉伸性能和抗破坏行为都有很大的改善。氧化铝颗粒表面涂氧化镁也可提高Al基复合材料的性能。5.3碳化硅增强铝基复合材料 5.3.1碳化硅增强铝基复合材料的优点 碳化硅增强铝基复合材料具有优异的高温强度、高耐磨性、高比强度等力学性能和良好的可加工性等优点。,5.3.2碳化硅增强铝基复合材料的缺点 碳化硅与金属基体界面的结合强度低而恶化复合材料的性能。5.3.3涂层改性碳化硅碳化硅纤维表面沉积Ni,Cu,Ag涂层,改善了与Al基体的润湿性,提高了材料的抗拉强度金刚石颗粒涂SiC后,可防止与铝液反应产生Al4C3相,且所制金刚石/Al复合材料的热导率可达259W/(mK),目前不同类别如金属类、陶瓷类;不同结构,如双层结构、多层结构等涂层均具有各自特殊的性质。金属涂层可以改善增强体与基体合金的润湿性,同时也可防止不利的界面反应,其涂覆工艺成本相对较低,但它在体系中却引入了未必需要的合金。陶瓷涂层起着界面阻挡层的作用,其存在减少了界面反应的发生。大多数陶瓷涂层的涂覆工艺成本都很高。单涂层一般不能满足界面的复杂要求,复合涂层以至多功能涂层可以使涂层具有多能功能,如:润湿功能、扩散和反应阻挡层功能以及热残余应力的释放功能。,结束语,
