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金属基复合材料界面金属基复合材料界面是指由金属基体和其他材料相互作用形成的界面。
金属基复合材料是一种重要的结构材料，在航天、航空、汽车制造等领域发挥着重要作用。
而界面则是金属基复合材料性能的关键因素之一，影响着材料的力学性能、热学性能、电学性能等。
金属基复合材料界面的特点主要包括界面强度、界面形态以及界面反应等。
首先，界面强度是指金属基复合材料界面的抗剪强度，决定了材料的强度和韧性。
界面形态则是指金属基复合材料界面的结构形貌，包括界面的平整度、均匀度等。
最后，界面反应是指金属基复合材料界面处发生的化学反应，影响着材料的稳定性和使用寿命。
金属基复合材料界面的研究主要包括界面强度的测试方法以及界面的表征技术。
一般来说，界面强度可以通过剪切测试、拉伸测试等方法进行测量。
剪切测试是将金属基复合材料的界面置于剪切载荷下，通过测量界面之间的滑动距离和加载力来计算界面的剪切强度。
拉伸测试则是将金属基复合材料的界面置于拉伸载荷下，通过测量界面的断裂强度和断裂面积来计算界面的拉伸强度。
界面的表征技术主要包括电子显微镜观察和X射线衍射分析等。
电子显微镜观察可用于观察金属基复合材料界面的形貌和结构特征，如界面的平整度、均匀度以及异质相等。
X射线衍射分析则可以用于分析界面处的晶体结构和相变行为，从而揭示界面反应的机制和影响因素。
金属基复合材料界面的性能调控主要包括三个方面，即界面结构调控、界面化学调控以及界面力学调控。
界面结构调控主要是通过改变复合材料的结构和工艺参数来调控界面的形貌和结构特征，从而改善界面的强度和稳定性。
界面化学调控则是通过引入中间相或质量扩散来调控界面的化学反应，从而提高界面的稳定性和抗氧化性能。
界面力学调控主要是通过改变金属基复合材料的力学性能来调控界面的剪切强度和散射行为，从而提高界面的强度和韧性。
总之，金属基复合材料界面是一种关键的材料界面，影响着金属基复合材料的力学和热学性能。
了解金属基复合材料界面的特点和性能调控方法，对于开发高性能金属基复合材料具有重要意义。
金属基复合材料的界面粘结强度研究导言金属基复合材料由于其独特的物理和化学特性，在航空、航天、汽车和船舶等领域得到广泛应用。
其中，界面粘结强度作为影响材料力学性能的重要因素，一直是材料研究的热点之一。
本文将讨论金属基复合材料的界面粘结强度研究，并探讨其影响机制与提高方法。
一、界面粘结强度的影响因素界面粘结强度受到多种因素的影响，包括金属基体和增强相的化学成分、微结构特征、处理工艺等。
1.1 化学成分界面化学成分的选择会直接影响粘结强度。
通常，合理匹配金属基体和增强相的化学成分能够提高界面的相容性和结合强度。
此外，界面的形成过程也会受到化学反应的影响，进而影响粘结强度。
1.2 微结构特征金属基复合材料界面的微观结构特征对粘结强度起着重要作用。
比如，界面分布均匀、界面相互扩散程度高的材料，其界面粘结强度通常会更高。
此外，界面上的氧化物、夹杂物等缺陷也会对粘结强度产生负面影响。
1.3 处理工艺适当的处理工艺是提高界面粘结强度的有效手段。
常用的处理方法包括热处理、表面处理、界面改性等。
这些工艺可以调控材料的化学成分、界面结构以及缺陷状态，从而提高界面的相容性和结合强度。
二、界面粘结强度的测试方法为了准确评估金属基复合材料的界面粘结强度，研究者们发展了多种测试方法。
2.1 剥离实验剥离实验是一种常用的测试界面粘结强度的方法。
通过在界面上施加剥离载荷，并测量载荷和位移之间的关系，可以得到界面的粘结强度。
2.2 拉伸实验拉伸实验是另一种测试界面粘结强度的常用方法。
将复合材料样品制成拉伸试样，施加拉力加载，并记录力和变形之间的关系，从而计算界面的粘结强度。
2.3 微观观察和力学测试利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等技术，可以观察界面微观结构和缺陷，并结合力学测试，分析界面的粘结强度。
三、提高金属基复合材料界面粘结强度的方法为了提高金属基复合材料的界面粘结强度，研究者们提出了多种方法。
3.1 优化界面化学成分通过选择合适的化学成分，可以改善金属基体和增强相之间的相容性，提高界面的结合强度。
影响复合材质的因素
影响复合材料的因素包括以下几个方面：
1. 纤维材料的类型和性质：复合材料中的纤维通常采用玻璃纤维、碳纤维、聚酯纤维等材料，不同的纤维材料具有不同的强度、刚度和耐腐蚀性能，会直接影响到复合材料的性能。
2. 纤维含量和纤维分布：纤维含量和纤维分布的不同会影响到复合材料的强度、刚度和断裂韧性等性能。
3. 基体材料的类型和性质：复合材料的基体材料可以是树脂、金属、陶瓷等，不同的基体材料具有不同的耐热性、耐腐蚀性和机械性能，会对复合材料的性能产生影响。
4. 界面结构和粘结性能：界面结构和粘结性能是纤维和基体之间的粘结强度，影响到复合材料的界面剪切强度和界面失效的方式。
5. 制备工艺和工艺参数：制备工艺和工艺参数如纤维层厚度、纤维取向、树脂固化温度等，会影响到复合材料的成型质量和性能。
6. 环境因素：环境因素包括温度、湿度、化学物质等，会对复合材料的性能产生影响，如热膨胀系数、耐腐蚀性等。
7. 使用条件：复合材料的使用条件如受力状态、载荷类型和工作温度等，会对复合材料的性能和寿命产生影响。
现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
现代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。
1.金属基复合材料的分类金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。
前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等)；后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。
根据用途分类：（1）结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。
用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。
（2）功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。
强调具有电、热、磁等功能特性。
（3）智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。
按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。
2.金属基复合材料的性能特点与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。
复合材料的力学性能影响因素复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成的多相材料。
由于其独特的性能优势，如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等，在航空航天、汽车、船舶、建筑等众多领域得到了广泛的应用。
然而，复合材料的力学性能并非一成不变，而是受到多种因素的影响。
了解这些影响因素对于优化复合材料的设计和制造，提高其性能和可靠性具有重要意义。
首先，增强材料的类型和性能是影响复合材料力学性能的关键因素之一。
常见的增强材料包括纤维（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等）和颗粒（如碳化硅、氧化铝等）。
不同类型的增强材料具有不同的强度、刚度、韧性和热稳定性等性能。
例如，碳纤维具有极高的强度和刚度，但成本较高；玻璃纤维则成本较低，但性能相对较弱。
增强材料的性能直接决定了复合材料能够承受的载荷和变形能力。
增强材料的几何形状和尺寸也会对复合材料的力学性能产生显著影响。
纤维增强复合材料中，纤维的长度、直径、长径比以及纤维的排列方式等都会影响其力学性能。
较长的纤维能够提供更好的载荷传递和增强效果，但在加工过程中可能会出现纤维断裂和分布不均匀的问题。
纤维的排列方式可以是单向、双向或多向编织，不同的排列方式会导致复合材料在不同方向上的力学性能差异。
例如，单向纤维增强复合材料在纤维方向上具有很高的强度和刚度，而在垂直于纤维方向上的性能则相对较弱。
基体材料的性能同样不容忽视。
基体材料的作用是将增强材料粘结在一起，并传递载荷。
常见的基体材料包括聚合物（如环氧树脂、聚酯树脂等）、金属（如铝、钛等）和陶瓷（如氧化铝、碳化硅等）。
基体材料的强度、韧性、耐热性和化学稳定性等性能会影响复合材料的整体性能。
例如，聚合物基体通常具有较好的韧性和耐腐蚀性，但耐热性相对较差；金属基体则具有较高的强度和导热性，但密度较大。
复合材料中增强材料与基体材料之间的界面结合强度也是影响力学性能的重要因素。
良好的界面结合能够有效地传递载荷，提高复合材料的强度和韧性。
金属基复合材料的强韧化研究随着科学技术的不断发展，金属基复合材料作为一种新型材料，受到了越来越多的关注和研究。
金属基复合材料结合了金属材料的强度和刚性以及复合材料的轻质和耐磨性，具有广泛的应用前景。
然而，金属基复合材料在实际应用中还存在一些问题，其中之一就是强韧性不足。
因此，研究金属基复合材料的强韧化成为当前的热点之一。
为了提高金属基复合材料的强韧性，研究人员采用了多种方法。
其中一个常用的方法是引入纳米颗粒增强。
纳米颗粒具有较高的比表面积和界面能，可以有效地提高金属基复合材料的强度和韧性。
此外，纳米颗粒的尺寸控制和分散性也对复合材料的性能起着重要作用。
因此，在制备金属基复合材料时，研究人员需要注意纳米颗粒的选择、尺寸调控和分散性的控制。
另外，界面的性质也对金属基复合材料的强韧性有重要影响。
界面是不同相之间的交界面，其性质直接影响到复合材料的力学性能。
研究人员通过调控界面的形貌和结构来改善金属基复合材料的强韧性。
一种常见的方法是在界面上引入中间层，可以减少应力集中和界面剪切的发生，从而提高复合材料的韧性。
除了纳米颗粒增强和界面改性，金属基复合材料的微观结构设计也是提高其强韧性的重要途径。
通过合理设计金属基复合材料的微观结构，可以实现应力分布的均匀和界面的强化，从而提高复合材料的力学性能。
例如，金属基复合材料中的纤维增强结构可以改善材料的韧性，使其能够在外界载荷下有效地吸收能量。
另外，热处理技术也是提高金属基复合材料强韧性的一种常用方法。
通过合理的热处理工艺，可以改变金属基复合材料的组织结构和相态，从而调控材料的力学性能。
热处理技术包括固溶处理、时效处理、退火等，可以显著提高金属基复合材料的强度、韧性和硬度。
总结起来，金属基复合材料的强韧化研究是一个复杂而又关键的课题。
纳米颗粒增强、界面改性、微观结构设计和热处理技术等方法的综合应用是提高金属基复合材料强韧性的有效途径。
通过对金属基复合材料的强韧化研究，可以推动该新型材料在航空、汽车、电子等领域的应用，为实现可持续发展做出贡献。
碳纳米管增强金属基复合材料的力学性能研究近年来，碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）作为一种新型纳米材料，引发了广泛的研究兴趣。
由于其优异的力学性能和独特的结构，碳纳米管成为改善传统材料性能的理想增强剂。
本文旨在探讨碳纳米管增强金属基复合材料在力学性能方面的研究现状和发展趋势。
首先，碳纳米管作为增强剂，可以显著改善金属基材料的强度和硬度。
研究证实，当碳纳米管掺杂在金属基复合材料中时，由于其高强度和刚度，可以有效抵抗金属晶粒的滑移和扩散，从而提高材料的抗拉强度和屈服强度。
同时，碳纳米管还能增加复合材料的硬度，因为其针状结构可阻碍位错的运动，从而使材料更难发生塑性变形。
其次，碳纳米管对金属基复合材料的韧性和断裂韧度也有显著的影响。
相比于纯金属材料，碳纳米管可以增加复合材料的断裂韧度。
这是因为碳纳米管具有高强度和高韧性的特点，能够吸收和分散外载荷，在复合材料中形成桥梁效应，提高其韧性。
此外，由于碳纳米管材料表面的高能位缺陷，能够吸附并扩散裂纹的尖端，进一步抑制裂纹的扩展速率，从而提高复合材料的断裂韧度。
不仅如此，碳纳米管还可以提高金属基复合材料的疲劳寿命和耐蚀性。
由于其高强度、高模量和良好的润湿性，碳纳米管可以抵抗金属表面的应力腐蚀和疲劳裂纹扩展，延长金属基复合材料的使用寿命。
同时，碳纳米管还能够吸附和吸收金属表面的有害离子和分子，提高复合材料的耐腐蚀性能。
然而，在实际应用中，碳纳米管增强金属基复合材料还面临一些挑战。
首先，碳纳米管的分散性是影响复合材料力学性能的重要因素。
碳纳米管的高表面能使其易于团聚，在复合材料中形成团簇，导致性能不稳定。
因此，如何实现碳纳米管在金属基复合材料中的均匀分散是当前亟待解决的课题。
此外，碳纳米管与金属基材料之间的界面相互作用也是影响复合材料性能的关键因素之一。
界面的相容性和结合强度直接影响复合材料的力学性能。
寻找合适的界面改性方法和结构设计，以增加碳纳米管与金属基材料之间的结合力，实现优化的界面效果，是进一步提高复合材料性能的重要课题。
金属基复合材料的特性金属基复合材料是一种由金属基体和非金属增强相组成的材料。
它具有独特的特性，使其在许多领域得到广泛应用。
本文将介绍金属基复合材料的特性，包括高强度、高刚度、耐磨性、耐腐蚀性和导热性。
1. 高强度金属基复合材料具有较高的强度，这是由于增强相的加入使其具有更好的抗拉强度和屈服强度。
增强相可以是纤维、颗粒或片状材料，如碳纤维、陶瓷颗粒或硼片。
这些增强相的加入可以有效地提高金属基体的强度，使其在承受高载荷时不易发生变形或破裂。
2. 高刚度金属基复合材料的刚度也较高，这是由于增强相的加入使其具有更好的抗弯刚度和剪切刚度。
增强相的加入可以有效地提高金属基体的刚度，使其在受力时不易发生变形或屈曲。
这使得金属基复合材料在需要高刚度的应用中具有优势，如航空航天、汽车和船舶制造等领域。
3. 耐磨性金属基复合材料具有较好的耐磨性，这是由于增强相的加入使其具有更好的耐磨性能。
增强相可以有效地提高金属基体的硬度和耐磨性，使其在摩擦和磨损环境中具有更长的使用寿命。
这使得金属基复合材料在需要耐磨性的应用中得到广泛应用，如机械零件、刀具和轴承等领域。
4. 耐腐蚀性金属基复合材料具有较好的耐腐蚀性，这是由于增强相的加入使其具有更好的耐腐蚀性能。
增强相可以有效地提高金属基体的抗腐蚀能力，使其在腐蚀介质中具有更长的使用寿命。
这使得金属基复合材料在需要耐腐蚀性的应用中得到广泛应用，如化工设备、海洋工程和石油钻探等领域。
5. 导热性金属基复合材料具有较好的导热性，这是由于金属基体的导热性能较好。
金属基体可以有效地传导热量，使其在需要散热或导热的应用中具有优势。
这使得金属基复合材料在电子器件、散热器和发动机部件等领域得到广泛应用。
综上所述，金属基复合材料具有高强度、高刚度、耐磨性、耐腐蚀性和导热性等特性。
这些特性使其在许多领域得到广泛应用，如航空航天、汽车、化工和电子等领域。
随着科学技术的不断发展，金属基复合材料的特性将得到进一步的提升和应用拓展。
金属基复合材料的力学性能以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。
按所用的基体金属的不同，使用温度范围为350～1200℃。
其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。
例如碳纤维增强铝复合材料其比热度3～4×107mm，比模量为6～8×109mm，又如石墨纤维增强镁不仅比模量可达 1.5×1010mm，而且其热膨胀系数几乎接近零。
金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、美基、铜基，钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。
由于这类复合材料加工温度高、工艺复杂、界面反映控制困难、成本相对高，应用的成熟程度远不如树脂及复合材料，应用范围较小。
近年来,金属基复合材料以其高的比强度、比模量、较好的耐热性能,良好的抗蠕变、抗疲劳、抗磨损性能,以及低的热膨涨系数受到了广泛的重视,在航空航天及汽车工业等领域有着广阔的应用前景。
颗粒增强金属基复合材料被认为是制造汽车发动机连杆、活塞及刹车片等零件的优良材料;纤维增强金属基复合材料已被用来制造航天飞机轨道器主骨架、制动器支撑架及火箭发动机壳体等[1,2]。
但是,金属基复合材料在高温制备的冷却过程中由于组分间热膨胀系数(C T E)的差异,会产生较大的热残余应力,通常基体相为拉应力,增强相为压应力。
当C T E差异较大时,即使温度变化很小,也会在基体中产生较大的微观热应力,在界面形成应力集中。
大量的研究表明,复合材料中的热残余应力对其力学性能有至关重要的影响。
例如,存在较高残余应力的复合材料中,基体中亚晶粒的尺寸明显低于未增强基体合金中亚晶粒的尺寸,而位错密度却比未增强基体合金高10~20倍;另外,复合材料由于残余应力的存在,导致在远低于0.2的应力下,应力应变曲线便开始偏离线性关系,复合材料的比例极限接近或略低于基体合金;同时,复合材料中的残余拉应力会导致复合材料压缩屈服强度较拉伸屈服强度高.金属基复合材料热残余应力产生必须具备的条件有:(1)基体与增强体之间界面结合良好;(2)温度变化;(3)增强体与基体之间的热膨胀系数差异。
金属基复合材料的界面微观结构与力学性能研究金属基复合材料由金属基体和强化相组成，具有优异的力学性能和良好的工程应用前景。
在金属基复合材料的力学性能中，复合界面的微观结构起着关键作用。
本文将探讨金属基复合材料的界面微观结构与力学性能的研究。
1. 金属基复合材料的界面结构金属基复合材料的界面结构是指金属基体与强化相之间的结构特征。
界面的微观结构决定了力学性能的优劣。
其中，界面的结晶度、化学成分均会影响力学性能。
以铝基复合材料为例，硅化物在金属基体中的分布方式、界面的结晶度以及界面的塑性变形等因素均对力学性能有着重要影响。
2. 界面结构与材料强度的关系界面结构对材料的强度具有重要影响。
研究表明，界面结晶度高、接触面积大的复合材料具有更高的强度。
这是因为结晶度高的界面可以有效抑制裂纹扩展，提高材料的抗拉强度。
另外，界面的接触面积大可以增加原子间的相互作用力，从而增加材料的韧性。
3. 界面结构与材料的塑性变形能力除了影响材料的强度外，界面结构还会对材料的塑性变形能力产生影响。
界面能够阻止晶体滑移，从而抑制材料的塑性变形。
如果界面结晶度低，会导致界面的塑性变形更易发生，从而影响材料的韧性和延展性。
因此，界面的结晶度对于金属基复合材料的塑性变形能力具有重要意义。
4. 界面结构与疲劳性能的关系疲劳性能是金属基复合材料工程应用中需要考虑的重要因素。
界面结构对材料的疲劳性能影响较大。
较为均匀的界面分布可以有效地抑制裂纹扩展，提高材料的疲劳寿命。
此外，良好的界面结晶度有助于维持材料的结构完整性，从而提高疲劳性能。
综上所述，金属基复合材料的界面微观结构与力学性能有着密切的关系。
界面结构的优化可以提高材料的强度、塑性变形能力和疲劳性能。
在今后的研究中，应重点关注界面结构的调控与优化，以进一步提高金属基复合材料的力学性能。
金属基复合材料耐蚀性能研究现状现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征[1]。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
金属基复合材料是由连续的金属或者合金基体和增强体构成，具有一系列与金属性能相似的优点。
当今，作为金属基复合材料的基体有铝基、镁基、铜基、铁基、钛基、镍基、高温合金基、金属间化合物及难熔金属基等，目前，国内外学者研究的金属基复合材料基体主要集中在铝和镁两个合金系上。
增强体的选择要求与复合材料基体结合时的润湿性较好，并且增强体的物理、化学相容性好，载荷承受能力强，尽量避免增强体与基体合金之间产生界面反应等。
常用的增强体主要有C纤维、Ti纤维、B纤维、Al2O3短纤维、SiC晶须、BC颗粒、SiC颗粒、Si3N4颗粒、WC颗粒、Mo2C颗粒、ZrO2颗粒、ZrB2颗粒、A12O3颗粒、碳纳米管和石墨等。
增强相的选择并不是随意的，选择一个合适的增强体需要从复合材料应用情况、制备方法以及增强体的成本等诸多方面综合考虑[2]。
与合金和聚合物相比，金属基复合材料性能特点有:高比强度、高模量、高韧性、高导热导电性、膨胀系数小、耐磨性好、高温强度高、表面稳定性好等[3]。
金属基复合材料具有强大的综合性能，在外层空间结构以及一些工业领域中有广泛应用前景，因而继树脂基复合材料之后，掀起了对其研究开发的热潮[4]。
目前，金属基复合材料（MMC）作为材料的一个新兴领域已在航空航天系统，汽车系统及建筑等各个系统中得。
第22卷 第2期2002年6月航 空 材 料 学 报JO URN AL O F AERONA U T ICAL M A T ERIA LSV ol.22,No.2June2002金属基复合材料的强化机制陈剑锋,武高辉,孙东立,姜龙涛(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:复合材料的强化机制和强度预报一直是材料学的研究热点,因为这涉及到材料的组织设计问题。
以往的研究对于金属基复合材料的强化机理有很多种说法,而且提出了大量的模型,但迄今为止缺乏一个统一而完善的理论。
本文总结分析了近年来有关金属基复合材料的强化机制和一些相关的模型,并指出了这些强化机制的不足和以后的发展趋势。
关键词:金属基复合材料;强度;强化机制;强化模型;材料设计中图分类号:T B331 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2002)02-0049-05 复合材料的强化机制和强度预报[1～3]涉及到材料的组织设计问题,近年来一直是材料学的研究热点。
金属基复合材料尤其是颗粒增强金属基复合材料的强化机制极其复杂,虽然提出了很多强化模型,”如混合定律[4]、剪切套模型[5,6]、球化模型[7]、Eshelby连续介质力学模型[8,9]、有限元分析数学模型[10]等,但迄今为止缺乏一个完善的理论。
概括地讲,颗粒增强复合材料强化机制主要有以下几点[11]:①材料受载时,增强体对基体变形的约束或对基体中位错运动的阻碍产生的强化作用;②基体向增强体的载荷传递;③增强体加入基体,由于基体和增强体热膨胀系数不同导致材料内产生热残余应力以及由于热残余应力释放导致基体中产生位错或基体加工硬化;④基体与增强体之间的界面结合状况及界面附近基体的微观结构和化学性质。
关于上述强化机制的相对作用程度还必须根据具体材料和材料变形不同阶段来确定。
目前金属基复合材料的增强机制尚不明确,仍存在争议,一般认为主要有基体和增强体之间的载荷传递、位错强化、沉淀强化、固溶强化、细晶强化、加工硬化、模量强化等。
金属基复合材料现状与存在的问题
金属基复合材料是指由两种或两种以上的材料组成，其中至少一种为金属的复合材料。
随着现代制造技术的不断发展，金属基复合材料已经广泛应用于航空、汽车、船舶等领域。
但是，金属基复合材料的应用还存在一些问题：
1.成本高：由于金属基复合材料的制造工艺较为复杂，生产成本较高，限制了它的广泛应用。
2.强度不稳定：由于金属基复合材料的组成结构复杂，因此其强度和韧性会受到很多因素的影响，不够稳定。
3.可靠性差：由于金属基复合材料制造工艺复杂，难以完全掌握每个制造环节的质量，因此其可靠性较差。
4.热稳定性差：由于金属基复合材料的热膨胀系数与金属基体不同，容易在高温环境下出现龟裂等问题。
5.环保问题：金属基复合材料中常含有大量的有害物质，对环境造成污染。
因此，金属基复合材料在应用中仍需要进一步探索和改进，提高其可靠性和成本效益，以更好地满足现代工业的需求。
- 1 -。
影响复合材料性能的因素
首先，复合材料的基体材料对其性能有着重要影响。
基体材料的性能直接影响
着复合材料的整体性能，如树脂基复合材料的强度、韧性、耐热性等，金属基复合材料的导热性、导电性等。
选择合适的基体材料对于提高复合材料的性能至关重要。
其次，增强材料也是影响复合材料性能的重要因素之一。
增强材料的种类、形状、分布状态等都会对复合材料的性能产生影响。
常见的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，它们的不同特性会使复合材料表现出不同的力学性能和物理性能。
另外，制备工艺也是影响复合材料性能的重要因素之一。
制备工艺包括预处理
工艺、成型工艺、固化工艺等，不同的工艺会对复合材料的结构和性能产生重要影响。
合理的制备工艺可以提高复合材料的结合强度、表面质量、耐热性等性能。
此外，环境条件也会对复合材料的性能产生影响。
复合材料在不同的环境条件
下会表现出不同的性能，如在高温环境下的耐热性能、在潮湿环境下的耐腐蚀性能等。
因此，在实际应用中需要考虑到复合材料在不同环境条件下的性能表现。
总的来说，影响复合材料性能的因素是多方面的，包括基体材料、增强材料、
制备工艺、环境条件等。
只有在综合考虑这些因素的基础上，才能够更好地提高复合材料的性能，满足不同领域的需求。
希望本文的内容能够对复合材料的研究和应用有所帮助。
金属基复合材料强度的影响因素
摘要:过去30 年里金属基复合材料虽然得到了广泛的研究与发展,但其性能一致性差的问题制约了其应用,因此复合材料的性能设计受到了普遍的关注。
强度是材料在工程应用上重要的衡量指标,对强度影响因素的研究对复合材料的性能设计至关重要。
本文着重分析了复合材料中基体合金化、增强体、基体与增强体的相容性、界面、工艺等因素对强度的影响。
关键词:金属基复合材料(MMCs) ;强度;影响因素;相容性;材料设计
1 引言
国际上的材料专家普遍认为当前人类已经从合成材料的时代进入复合材料时代,因为要想合成一种新的单一材料使之满足各种高要求的综合指标是非常困难的。
金属基复合材料(MMCs) 具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数等优异的性能,可广泛应用于民用工业和军事、航空、航天领域,近年来部分产品已经开始工业化生产。
尽管金属基复合材料在过去的30 年里在世界范围内得到了广泛的研究和发展,但是还没有在工业上得到广泛的应用,一般只应用于军事领域,其原因主要在于它的成本高、性能低于期望值、相对较低的稳定性和大的性能波动、不可回收利用、环境污染等几个障碍。
而且目前用现成的无机非金属磨料与已成熟的铝合金相复合的一贯做法显然不符合百年前的合金设计原理,也不是性能的最佳搭配。
目前在国内发展复合材料,关键是要实现低成本、高性能、一致性好、稳定的制备技术和根据力学原理以及使用者的期望设计出令用户满意的性价比的材料。
这就涉及到复合材料的设计问题,而强度是复合材料在工程应用上的一个重要的衡量指标,所以强度的影响因素以及复合材料的强化机理、强度预报一直是研究的热点。
但是由于金属基复合材料的强化机理不明确,至今在金属基复合材料的设计理论上还存在着较大的盲目性。
因此对复合材料强度的影响因素的研究是一个使金属基复合材料走出低谷获得突破的重要课题。
2 影响复合材料强度的因素
2.1.1 基体对金属基复合材料强度的影响
不同的基体对复合材料的抗拉强度、屈服强度、结合强度有较大的影响。
但并不是基体强度越高,复合材料的强度越高, 而是存在一个最佳匹配，基体同增强体之间存在着优化选择、合理匹配的问题。
2.1.2 增强体对金属基复合材料强度的影响
增强体的加入可以通过对基体金属的显微组织,如亚结构、位错组态、晶粒尺寸及材料密度等的改变,改善和弥补基体金属性能上的不足。
增强体的性质对复合材料的强度起着至关重要的作用。
从表1可以看出,加入增强体后,材料的抗拉强度和屈服强度都有所提高。
表1 部分颗粒增强金属基复合材料的力学性能
2.1.2.1 增强体的体积分数
增强体的体积含量对复合材料的强度有重要影响。
一般认为强化效果随着体积分数的增加单调增加,而且体积分数必须超过一定的数值才能起到增强效果。
图1a表明随着体积分数的增加,基体中位错密度也增加,复合材料的强度也增加。
纤维体积分数的增加虽然降低了由基体向纤维的应力传递,但增加了对纤维根部区域基体的约束程度,又不增加对界面剪切强度的要求,有利于材料的强化。
但是体积分数过大,纤维根部区域的基体易过早出现裂纹。
2.1.2.2 增强体的颗粒尺寸
增强体的大小也是影响复合材料强度的重要因素。
一般认为强度的增加正比于位错密度ρ的平方根,而ρ反比于颗粒的直径,即复合材料的强度随颗粒尺寸
的增大而降低。
颗粒到底多大合适呢? 这是一个值得深入探索的问题。
材料的力学性能对增强体颗粒尺寸是相当敏感的,并不随增强体颗粒尺寸的增大而单纯的增高或降低。
增强体尺寸应该同基体相匹配,并考虑基体的有关参数。
颗粒越小,材料弥散强化作用愈好,但是过细的颗粒容易导致材料制备时基体熔体粘度增大,易造成颗粒混合不匀,而粗大的颗粒还会由于重力的影响产生严重的铸造偏析。
2.1.2.3 增强体的分布状态与形状
增强体的分布状态也影响复合材料的强度。
一般认为颗粒增强体形状为球形或者近球状最佳,而晶须增强体长径比有个最佳值。
研究表明自由取向的增强体增强效果没有定向排列的增强体(如纤维增强) 好,但是定向排列的增强体增强的复合材料也只是在单一方向上强度高,其它方向上强度很低。
2.1.3 基体和增强体的相容性
复合材料具有可设计性,利用不同的基体合金,可以制备出各种特种功能型复合材料。
同为结构材料,采用不同强塑性的基体也可以获得不同使用温度条件和适用环境的复合材料,如高温合金基复合材料、金属间化合物基复合材料、陶瓷基复合材料、混合增强复合材料等。
目前,颗粒增强复合材料常采用的基体合金主要包括铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金、铁合金及一些高温合金、金属间化合物及难熔金属等。
由于铝合金具有密度低、导电、导热性良好且价格低廉、易加工等优点,作为基体材料较其它金属更具有吸引力。
表2、3分别列出了常用铝合金化学成分及基本力学性能(合金的热处理状态均为退火态)。
表2 铝合金的化学成分( 质量分数, %)
表3 铝合金的力学性能
2.1.4 界面对强度的影响
界面是复合材料中普遍存在且非常重要的组成部分,是影响复合材料行为的关键因素之一。
金属基复合材料宏观性能的好坏很大程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况。
为了获得更高的强度,应该形成稳定的界面结合。
界面结构与性能是基体和增强体性能能否充分发挥,形成最佳综合性能的关键。
金属基复合材料的界面结构非常复杂,有3 种结合类型5 种结合方式,而且界面区尺寸为纳米级,难以分析表征,很多问题在理论上难以解释。
为了兼顾有效传递载荷和阻止裂纹扩展两个方面,必须要有最佳的界面结合状态和强度。
2.1.5 工艺对强度的影响
不同的制备方法使得复合材料的性能有很大的差异。
例如,原位生成法制备的复合材料,由于原位增强相不仅尺寸非常细小(一般< 1μm) ,而且与基体有着良好的界面相容性,从而使得这种复合材料较传统的外加增强相复合材料具有较高的强度。
高能球磨法使增强体颗粒弥散均匀分布于基体中,而常规混合法制备的复合材料中存在增强体颗粒的偏聚现象。
颗粒越均匀越有利于提高复合材料的强度。
3 结语
影响金属基复合材料强度的因素还有很多,像温度、环境都会对金属基复合材料的强度产生影响。
如何有效地利用有利因素,去除不利因素,从而提高金属基复合材料的性能是个值得进一步探讨的问题。
基体的合金化以及调整基体和增强体的相容性应该是较为有效的手段,也是有待于进一步研究的重要内容。
