顆粒增強金屬基復合材料界面研究進展

李凡國，于思榮

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，青島，266555 2.青島港灣職業技術學院，青島，266427）

顆粒增強金屬基復合材料界面研究進展

李凡國1,2，于思榮1

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，青島，266555 2.青島港灣職業技術學院，青島，266427）

界面是復合材料特有的、而且是極其重要的組成部分，復合材料的性能與界面性質密切相關。介紹了顆粒增強復合材料的界面設計、界面相分析與檢測和界面細觀力學的研究現狀，并且對界面研究還需解決的問題做了探討。

金屬基復合材料;界面相;細觀力學;顆粒

復合材料界面是指復合材料的基體與增強材料之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能傳遞載荷的微小區域［1］。此界面是一層具有一定厚度、結構隨基體和增強體而異、與基體有明顯差別的新相—界面相。在金屬基復合材料的設計和制備過程中，增強體、制備方法及工藝參數的選擇是多種多樣的，同時這些因素相互作用、相互影響，共同決定了材料的性能。其中界面性質是影響復合材料內載荷傳遞、微區域應力分布、殘余應力、變形斷裂過程以及物理性能和力學性能的重要因素［2］。有時為了提高復合材料的強度和抗蠕變性能，需要一個較強的界面，有時為了提高復合材料的韌性，則希望存在一個較弱的界面，以利于更多地耗散斷裂過程中的能量。因此，要獲取所需的材料性能，需要對復合材料的界面進行有效設計。

1　顆粒增強金屬復合材料的界面設計

1.1界面反應

金屬基復合材料的界面一般分為三類。Ⅰ類界面光滑，分子層厚度，由原組成物組成；Ⅱ類界面較粗糙，原組成物溶解擴散形成；Ⅲ類界面發生反應形成亞微米級的反應物。

顆粒增強體組分一般有SiC、Al2O3、SiO2和B4C等陶瓷顆粒以及石墨顆粒。一些學者還制備出先進的納米Al2O3、納米SiO2等顆粒增強輕合金復合材料。基體中的增強顆粒，有強制加入和原位生成兩種方式，有單一顆粒增強，也有多種顆粒共同增強，如（TiB2+B4C）/2024Al、（Mg2Si+AlN）/Mg［3］、（Si+SiC）/AZ91D［4］等復合材料。

因基體鎂合金化學性質很活潑，制備過程中的高溫階段都需要惰性氣體、CO2+SF6混合氣體保護，以防止氧化。在鎂合金基體中，利用鑄造制備方式引入硬質的陶瓷增強相或中間化合物而制得的鎂基復合材料，目前取得了一定的進展，獲得了較為穩定的界面相，通過試驗發現能夠較大幅度地改善基體性能。有學者對SiC顆粒與鎂基體之間的界面觀察與分析，無界面反應發生，SiC與基體結合良好［5］。但在SiC顆粒增強Mg-Al系合金、顆粒/基體界面卻存在明顯的界面反應，并且在?SiCp/AZ91、SiCp/ AS41界面發現有細小的界面產物，?推測可能是一種Al-C-O三元相，同時，在SiC顆粒附近發現Mg2Si析出相，界面上無MgO生成，推測由SiC附近的SiO2或游離的Si與鎂基體在材料制備過程中形成［6］。加入SiC顆粒后會使晶粒細化，粗大的圓盤狀Mg17Al12相轉變成細小的沿著晶界按一定方向排列的薄片狀的析出相，有助于復合材料拉伸性能提高。

B4C顆粒硬度高于SiC顆粒，制備的B4C（φ=20%）/Mg復合材料的性能較SiCp（φ=30%）/Al高。B4C顆粒增強低含鋁量鎂合金的復合材料采用熔融技術制造，Mg與B4C之間相容性和潤濕性良好其復合材料界面穩定，具有良好的耐腐蝕性能。

加入Al2O3顆粒制備增強的鎂基復合材料，由于液態浸潤過程很慢，使Mg有足夠的時間與SiO2反應，Si含量在熔體中均勻分布，基體中存在均勻分布的Mg2Si，顆粒表面生成?MgO薄層。高溫長時間熱處理后，Mg與Al2O3反應，生成MgO和Al。同時，界面反應產生的Al?熔入基體合金，基體中Al含量增加，使得基體熔點低于熱處理溫度，局部有液相產生，原子擴散加快，界面反應增加，并且在Al2O3顆粒附近發現Mg17Al12共晶相。

利用鋁合金粉和粉煤灰充分混合后粉末冶金制備了粉煤灰/Al-25%Mg復合材料［7］，通過XRD譜得知復合材料最終產物Al、MgAl2O4、Mg2Si、MgO，然后從熱力學角度分析可能發生的反應。進行了復合材料力學試驗，認為在軟的鋁合金基體上分布著硬的粉煤灰顆粒。由于粉煤灰顆粒硬度和耐磨性均高于鋁合金基體，故摩擦時鋁合金基體會首先被磨掉，而使粉煤灰顆粒暴露在材料表面，因此粉煤灰顆粒在摩擦磨損中主要起到承受載荷、限制對磨材料與鋁合金基體的直接接觸、阻礙基體塑性變形的作用。

黃志球［8］引入漂珠通過攪熔鑄造法制備了漂珠/AZ91D復合材料，從熱力學角度計算了AZ91D鎂合金—漂珠體系中各組分之間可能發生反應的吉布斯自由能，認為主要產物有MgO、Mg2Si和MgAl2O4。通過對復合材料XRD分析，得知復合材料中主要物相是MgO、Mg2Si和Mg17Al12，沒有發現MgAl2O4衍射峰，說明加入漂珠后，與鎂合金反應生成了MgO和Mg2Si，而沒有生成MgAl2O4。因為MgAl2O4相通常在1?100?oC以上且w鎂小于7%時生成，故當鎂的含量較高，如基體為鎂或鎂合金時，則不會產生該相。

1.2顆粒與金屬熔體的潤濕性問題

當液體與固體兩相之間的黏附力大于液體內聚力時而導致的兩相之間的緊密接觸的現象稱之為潤濕，顆粒與基體的潤濕性將直接影響到兩相之間界面的結合和顆粒在基體中的分散。

在潤濕性問題上通常用潤濕角來反映，當潤濕角為0o時，完全潤濕；潤濕角為180o時，完全不潤濕；0o＜潤濕角＜180o時，部分潤濕。影響潤濕性的因素有金屬液表面形成的氧化膜、顆粒表面的吸附氣體、溫度等。傳統的改善潤濕性的方法有攪拌加入顆粒；添加合金元素，如Ti、Cr、Ni等；在顆粒加入熔體前進行一定的預熱；顆粒表面的涂覆等。

適量的界面反應生成的相促進增強顆粒與金屬熔體的潤濕和結合，提高界面的結合強度。但是過量的反應在界面上生成較厚的生成物質則會削弱增強顆粒與基體的結合，使得顆粒的結構遭到破壞，降低所制備復合材料的性能。且反應相也會降低復合材料的抗腐蝕性。

2　界面相分析與檢測

材料的界面在簡化的意義說是二維結構，即在界面的法線方向延伸的范圍非常有限，一般在一個納米之內。因此，所有探測界面結構與性能的研究方法都要求較高的空間分辨率。在具有較高分辨率的探測方法中，廣泛采用高分辨率電子顯微術（高分辨電子顯微鏡、場發射掃面電子顯微鏡、彈道電子發射顯微鏡等）及分析電子顯微術（掃描隧道電子顯微鏡、低能電子衍射、反射高能電子衍射、X光光電子能譜、俄歇電子能譜、二次離子質譜、場離子顯微鏡、原子探針等）。采用常規透射電鏡（TEM）觀察界面形貌，利用高分辨電鏡（HREM）觀察界面區的原子排列，結合微區化學分析（如EDX、EELS等）和微衍射分析，可在原子尺度解析界面的精細結構，如界面相的結構、界面的晶體學位相關系、近界面區的元素分析、界面附近的缺陷等。

3　界面細觀力學

由于復合材料中增強體顆粒與整個復合材料器件相比非常小?（一般幾到十幾微米）?，?而且形態不規則，分布又呈現隨機性，因此到目前為止，對顆粒增強金屬基復合材料力學行為的研究還主要停留在細觀力學模擬的層面上。就目前的研究報道看，對該問題的研究通常是將常規的有限元法應用于復合材料細觀結構的代表性體積單元上，并對該單元在載荷作用下的力學行為進行模擬研究。在外載荷作用下，代表體積單元內的場物理量的平均值就等于復合材料內的體積平均值。

細觀尺度的理論分析有限元模擬的模型主要有兩種。一是基于幾何建模的周期性單胞模型；另一種是基于實際微觀結構的有限元模型。

3.1基于幾何建模的周期性單胞模型

在代表性體積單元描述復合材料細觀結構的模型中，最有代表性和被普遍應用的就是周期性單胞模型。該模型理想化了細觀結構，假設增強體顆粒均勻分布在合金基體中，整個材料是由這樣的單胞周期性排列組成。目前單胞模型主要是單顆粒增強軸對稱單胞模型和多顆粒隨機分布三維立方單胞模型這兩種模型。

（1）單顆粒增強軸對稱單胞模型

該模型假設單胞中只含有一個位于單胞對稱軸中心位置的增強體顆粒。分析時為了方便，通常選擇單胞為圓柱體，顆粒為球體，增強體的體積分數用顆粒占單胞的體積百分比來表示。單顆粒增強軸對稱單胞模型如圖1所示。根據軸對稱性條件，可將三維模型轉化為平面問題分析，如圖2所示。

圖1　對稱單胞模型[9]

（2）多顆粒隨機分布三維立方單胞模型

該模型與單顆粒增強軸對稱單胞模型相比能更好地反映復合材料的微觀結構，分析結果更加合理，但模型建立和計算也更加復雜。多顆粒隨機分布三維立方單胞模型［10］如圖3所示。圖4為顆粒增強復合材料微觀結構（a）和計算模型（b）。

對于單顆粒和多顆粒的增強復合材料有限元模型，都可以施加漸進拉伸載荷，用最大拉應力準則和摩爾-庫爾準則分別判斷單元是否發生了破壞，模擬材料變形過程，與試驗結果可以進行比較。

圖3　三維立方單胞模型[10]

圖4　顆粒增強復合材料微觀結構（a）和計算模型（b）

3.2基于實際微觀結構的有限元模型

基于微觀結構的有限元模型，是通過?SEM?所得的數字圖像，導入軟件中進行分割處理?，轉化為矢量圖像，然后再導入有限元軟件中進行網格剖分和有限元分析［11］。由于將先進的圖像處理技術與有限元模型相結合，從而能夠更加形象真實地反映復合材料內部顆粒的形貌和分布，如圖4所示。可以研究顆粒增強金屬基復合材料受動態拉伸載荷時的斷裂失效模式。還可模擬裂紋擴展時網格密度、界面強度、顆粒含量及分布對計算結果的影響。

在細觀尺度的微觀結構有限元模擬中，通過幾何建模嚴格區分出增強體顆粒和基體，因而在設定材料模型時需分別定義顆粒和基體。采用有限元分析軟件進行模擬時，一般假設增強體顆粒為線彈性體和各向同性，基體材料為彈塑性材料。

4　界面研究還需解決的問題

4.1界面制備

從熱力學的角度可以計算出顆粒與集體金屬可能發生的化學反應，以及生成的物質，但有時通過XRD檢測卻發現有些物質并不存在，說明發生化學反應是需要一定條件的，可能與溫度、質量分數、時間長短等有關。因此，如何調控反應環境獲得所需的界面物質是一個亟待解決的問題。

4.2界面強度

目前尚無直接測量金屬基復合材料界面結合強度的方法，雖有學者從原子角度，采用半經驗和半定量的方法計算界面結合強度，或者根據韌性斷裂機理來計算，或者根據“臨界應力分配”模型測量了顆粒增強金屬基復合材料的界面結合強度，但他們的計算結果相差很大。總之，目前所得到的界面結合強度的分散性很大，方法還很不成熟，需要進一步探索和完善。

界面力學目前在工程中的應用主要局限于線性和發生脆性破壞的問題，對于更為復雜的界面問題，如非線性、多界面的相互作用、界面動力學特性等，尚處于理論探索階段。

復合材料的破裂不一定局限于界面端，當界面上某點的應力集中較為嚴重時，起裂是從該應力集中點處開始，但目前對這類界面起裂條件的研究還非常少。

4.3細觀力學

細觀尺度模擬最大的優點是能較細致地描述復合材料的微觀幾何結構，從而能夠很好地模擬復合材料的微觀力學行為。但該方法無法描述整體工件的宏觀力學行為和無法滿足工程應用的需要。對材料加工中的變形可以采用宏觀尺度模擬，但是忽略了復合材料的微觀結構尤其是顆粒與基體間的相互作用，從而影響模擬結果的準確性。如果通過材料加工的變形構造出能夠真實反映所模擬材料的本構關系，將復合材料中增強顆粒對基體的作用通過復合材料變形過程中的本構方程表示出來，再進行工件加工變形的宏觀模擬，則是今后工作需研究的問題。

建立細觀模型模擬時往往把材料結構假設為嚴格的周期性分布且大小相同的顆粒增強相，這與實際結構顯然是不真實的，因為在復合材料界面和內部都會有團聚和損傷的可能，因此在數值模擬時需要考慮。可以通過建立多顆粒均勻分布和團聚兩種微觀結構模型，以及對基體不考慮損傷和考慮損傷兩種情況，共建立四個有限元模型進行模擬分析。在相同變形條件下，團聚會造成變形更加困難，拉伸應力會高于均勻分布，同樣不考慮損傷的模型拉伸應力也會高于考慮損傷的應力［12］。

目前增強體的細觀力學主要集中在實心增強體，對中空增強體分析的較少。復合材料真實結構的模擬很大程度上還是增強相分布的問題，因此復合材料增強相任意分布數值模擬問題仍是有待解決和完善的重要問題。

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Research Progress on Interface of Particle Reinforced Metal Matrix Composites

LI?FanGuo1，2，Yu?SiRong1
（1.China?University?of?Petroleum，Qingdao?266555，China；2.Qingdao?Harbor?and?Vocational?Technical?College，Qingdao?266427，China）

The?interface?is?composite?unique?and?one?of?the?most?important?components，?its?performance?is?closely?related?with?the?interface?properties?of?composites.?The?particle?reinforced?composites?interface?design，?interface?phase?analysis?and?detection?and?interfacial?micromechanics?are?introduced?on?the?status?quo，?and?the?interface?of?unsolved?problems?are?discussed.

Metal?Matrix?Composites；Interface?Phase；Micromechanics；Particle

TB331;

A；

1006-9658（2015）04-0043-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.04.012

教育部科學技術研究重大項目“漂珠/鎂合金復合材料的界面及力學行為機理研究”（313056）

2015-02-05

稿件編號:1502-799

李凡國（1978—），男，在讀博士，副教授，從事金屬材料方面的研究工作.