李凡國(guó)，于思榮

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，青島，266555 2.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青島，266427）

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料界面研究進(jìn)展

李凡國(guó)1,2，于思榮1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，青島，266555 2.青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青島，266427）

界面是復(fù)合材料特有的、而且是極其重要的組成部分，復(fù)合材料的性能與界面性質(zhì)密切相關(guān)。介紹了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)、界面相分析與檢測(cè)和界面細(xì)觀力學(xué)的研究現(xiàn)狀，并且對(duì)界面研究還需解決的問(wèn)題做了探討。

金屬基復(fù)合材料;界面相;細(xì)觀力學(xué);顆粒

復(fù)合材料界面是指復(fù)合材料的基體與增強(qiáng)材料之間化學(xué)成分有顯著變化的、構(gòu)成彼此結(jié)合的、能傳遞載荷的微小區(qū)域［1］。此界面是一層具有一定厚度、結(jié)構(gòu)隨基體和增強(qiáng)體而異、與基體有明顯差別的新相—界面相。在金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中，增強(qiáng)體、制備方法及工藝參數(shù)的選擇是多種多樣的，同時(shí)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(zhì)是影響復(fù)合材料內(nèi)載荷傳遞、微區(qū)域應(yīng)力分布、殘余應(yīng)力、變形斷裂過(guò)程以及物理性能和力學(xué)性能的重要因素［2］。有時(shí)為了提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和抗蠕變性能，需要一個(gè)較強(qiáng)的界面，有時(shí)為了提高復(fù)合材料的韌性，則希望存在一個(gè)較弱的界面，以利于更多地耗散斷裂過(guò)程中的能量。因此，要獲取所需的材料性能，需要對(duì)復(fù)合材料的界面進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。

1　顆粒增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料的界面設(shè)計(jì)

1.1界面反應(yīng)

金屬基復(fù)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(kuò)散形成；Ⅲ類界面發(fā)生反應(yīng)形成亞微米級(jí)的反應(yīng)物。

顆粒增強(qiáng)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(xué)者還制備出先進(jìn)的納米Al2O3、納米SiO2等顆粒增強(qiáng)輕合金復(fù)合材料?；w中的增強(qiáng)顆粒，有強(qiáng)制加入和原位生成兩種方式，有單一顆粒增強(qiáng)，也有多種顆粒共同增強(qiáng)，如（TiB2+B4C）/2024Al、（Mg2Si+AlN）/Mg［3］、（Si+SiC）/AZ91D［4］等復(fù)合材料。

因基體鎂合金化學(xué)性質(zhì)很活潑，制備過(guò)程中的高溫階段都需要惰性氣體、CO2+SF6混合氣體保護(hù)，以防止氧化。在鎂合金基體中，利用鑄造制備方式引入硬質(zhì)的陶瓷增強(qiáng)相或中間化合物而制得的鎂基復(fù)合材料，目前取得了一定的進(jìn)展，獲得了較為穩(wěn)定的界面相，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能夠較大幅度地改善基體性能。有學(xué)者對(duì)SiC顆粒與鎂基體之間的界面觀察與分析，無(wú)界面反應(yīng)發(fā)生，SiC與基體結(jié)合良好［5］。但在SiC顆粒增強(qiáng)Mg-Al系合金、顆粒/基體界面卻存在明顯的界面反應(yīng)，并且在?SiCp/AZ91、SiCp/ AS41界面發(fā)現(xiàn)有細(xì)小的界面產(chǎn)物，?推測(cè)可能是一種Al-C-O三元相，同時(shí)，在SiC顆粒附近發(fā)現(xiàn)Mg2Si析出相，界面上無(wú)MgO生成，推測(cè)由SiC附近的SiO2或游離的Si與鎂基體在材料制備過(guò)程中形成［6］。加入SiC顆粒后會(huì)使晶粒細(xì)化，粗大的圓盤狀Mg17Al12相轉(zhuǎn)變成細(xì)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(fù)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(fù)合材料的性能較SiCp（φ=30%）/Al高。B4C顆粒增強(qiáng)低含鋁量鎂合金的復(fù)合材料采用熔融技術(shù)制造，Mg與B4C之間相容性和潤(rùn)濕性良好其復(fù)合材料界面穩(wěn)定，具有良好的耐腐蝕性能。

加入Al2O3顆粒制備增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，由于液態(tài)浸潤(rùn)過(guò)程很慢，使Mg有足夠的時(shí)間與SiO2反應(yīng)，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(zhǎng)時(shí)間熱處理后，Mg與Al2O3反應(yīng)，生成MgO和Al。同時(shí)，界面反應(yīng)產(chǎn)生的Al?熔入基體合金，基體中Al含量增加，使得基體熔點(diǎn)低于熱處理溫度，局部有液相產(chǎn)生，原子擴(kuò)散加快，界面反應(yīng)增加，并且在Al2O3顆粒附近發(fā)現(xiàn)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(fù)合材料［7］，通過(guò)XRD譜得知復(fù)合材料最終產(chǎn)物Al、MgAl2O4、Mg2Si、MgO，然后從熱力學(xué)角度分析可能發(fā)生的反應(yīng)。進(jìn)行了復(fù)合材料力學(xué)試驗(yàn)，認(rèn)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?xí)r鋁合金基體會(huì)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(duì)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(guò)攪熔鑄造法制備了漂珠/AZ91D復(fù)合材料，從熱力學(xué)角度計(jì)算了AZ91D鎂合金—漂珠體系中各組分之間可能發(fā)生反應(yīng)的吉布斯自由能，認(rèn)為主要產(chǎn)物有MgO、Mg2Si和MgAl2O4。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料XRD分析，得知復(fù)合材料中主要物相是MgO、Mg2Si和Mg17Al12，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)MgAl2O4衍射峰，說(shuō)明加入漂珠后，與鎂合金反應(yīng)生成了MgO和Mg2Si，而沒(méi)有生成MgAl2O4。因?yàn)镸gAl2O4相通常在1?100?oC以上且w鎂小于7%時(shí)生成，故當(dāng)鎂的含量較高，如基體為鎂或鎂合金時(shí)，則不會(huì)產(chǎn)生該相。

1.2顆粒與金屬熔體的潤(rùn)濕性問(wèn)題

當(dāng)液體與固體兩相之間的黏附力大于液體內(nèi)聚力時(shí)而導(dǎo)致的兩相之間的緊密接觸的現(xiàn)象稱之為潤(rùn)濕，顆粒與基體的潤(rùn)濕性將直接影響到兩相之間界面的結(jié)合和顆粒在基體中的分散。

在潤(rùn)濕性問(wèn)題上通常用潤(rùn)濕角來(lái)反映，當(dāng)潤(rùn)濕角為0o時(shí)，完全潤(rùn)濕；潤(rùn)濕角為180o時(shí)，完全不潤(rùn)濕；0o＜潤(rùn)濕角＜180o時(shí)，部分潤(rùn)濕。影響潤(rùn)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(tǒng)的改善潤(rùn)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(jìn)行一定的預(yù)熱；顆粒表面的涂覆等。

適量的界面反應(yīng)生成的相促進(jìn)增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤(rùn)濕和結(jié)合，提高界面的結(jié)合強(qiáng)度。但是過(guò)量的反應(yīng)在界面上生成較厚的生成物質(zhì)則會(huì)削弱增強(qiáng)顆粒與基體的結(jié)合，使得顆粒的結(jié)構(gòu)遭到破壞，降低所制備復(fù)合材料的性能。且反應(yīng)相也會(huì)降低復(fù)合材料的抗腐蝕性。

2　界面相分析與檢測(cè)

材料的界面在簡(jiǎn)化的意義說(shuō)是二維結(jié)構(gòu)，即在界面的法線方向延伸的范圍非常有限，一般在一個(gè)納米之內(nèi)。因此，所有探測(cè)界面結(jié)構(gòu)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(cè)方法中，廣泛采用高分辨率電子顯微術(shù)（高分辨電子顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射掃面電子顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡等）及分析電子顯微術(shù)（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(zhì)譜、場(chǎng)離子顯微鏡、原子探針等）。采用常規(guī)透射電鏡（TEM）觀察界面形貌，利用高分辨電鏡（HREM）觀察界面區(qū)的原子排列，結(jié)合微區(qū)化學(xué)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(xì)結(jié)構(gòu)，如界面相的結(jié)構(gòu)、界面的晶體學(xué)位相關(guān)系、近界面區(qū)的元素分析、界面附近的缺陷等。

3　界面細(xì)觀力學(xué)

由于復(fù)合材料中增強(qiáng)體顆粒與整個(gè)復(fù)合材料器件相比非常小?（一般幾到十幾微米）?，?而且形態(tài)不規(guī)則，分布又呈現(xiàn)隨機(jī)性，因此到目前為止，對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料力學(xué)行為的研究還主要停留在細(xì)觀力學(xué)模擬的層面上。就目前的研究報(bào)道看，對(duì)該問(wèn)題的研究通常是將常規(guī)的有限元法應(yīng)用于復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的代表性體積單元上，并對(duì)該單元在載荷作用下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬研究。在外載荷作用下，代表體積單元內(nèi)的場(chǎng)物理量的平均值就等于復(fù)合材料內(nèi)的體積平均值。

細(xì)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(shí)際微觀結(jié)構(gòu)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(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的模型中，最有代表性和被普遍應(yīng)用的就是周期性單胞模型。該模型理想化了細(xì)觀結(jié)構(gòu)，假設(shè)增強(qiáng)體顆粒均勻分布在合金基體中，整個(gè)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(qiáng)軸對(duì)稱單胞模型和多顆粒隨機(jī)分布三維立方單胞模型這兩種模型。

（1）單顆粒增強(qiáng)軸對(duì)稱單胞模型

該模型假設(shè)單胞中只含有一個(gè)位于單胞對(duì)稱軸中心位置的增強(qiáng)體顆粒。分析時(shí)為了方便，通常選擇單胞為圓柱體，顆粒為球體，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)用顆粒占單胞的體積百分比來(lái)表示。單顆粒增強(qiáng)軸對(duì)稱單胞模型如圖1所示。根據(jù)軸對(duì)稱性條件，可將三維模型轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題分析，如圖2所示。

圖1　對(duì)稱單胞模型[9]

（2）多顆粒隨機(jī)分布三維立方單胞模型

該模型與單顆粒增強(qiáng)軸對(duì)稱單胞模型相比能更好地反映復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果更加合理，但模型建立和計(jì)算也更加復(fù)雜。多顆粒隨機(jī)分布三維立方單胞模型［10］如圖3所示。圖4為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)（a）和計(jì)算模型（b）。

對(duì)于單顆粒和多顆粒的增強(qiáng)復(fù)合材料有限元模型，都可以施加漸進(jìn)拉伸載荷，用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和摩爾-庫(kù)爾準(zhǔn)則分別判斷單元是否發(fā)生了破壞，模擬材料變形過(guò)程，與試驗(yàn)結(jié)果可以進(jìn)行比較。

圖3　三維立方單胞模型[10]

圖4　顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)（a）和計(jì)算模型（b）

3.2基于實(shí)際微觀結(jié)構(gòu)的有限元模型

基于微觀結(jié)構(gòu)的有限元模型，是通過(guò)?SEM?所得的數(shù)字圖像，導(dǎo)入軟件中進(jìn)行分割處理?，轉(zhuǎn)化為矢量圖像，然后再導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格剖分和有限元分析［11］。由于將先進(jìn)的圖像處理技術(shù)與有限元模型相結(jié)合，從而能夠更加形象真實(shí)地反映復(fù)合材料內(nèi)部顆粒的形貌和分布，如圖4所示。可以研究顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料受動(dòng)態(tài)拉伸載荷時(shí)的斷裂失效模式。還可模擬裂紋擴(kuò)展時(shí)網(wǎng)格密度、界面強(qiáng)度、顆粒含量及分布對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

在細(xì)觀尺度的微觀結(jié)構(gòu)有限元模擬中，通過(guò)幾何建模嚴(yán)格區(qū)分出增強(qiáng)體顆粒和基體，因而在設(shè)定材料模型時(shí)需分別定義顆粒和基體。采用有限元分析軟件進(jìn)行模擬時(shí)，一般假設(shè)增強(qiáng)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(wèn)題

4.1界面制備

從熱力學(xué)的角度可以計(jì)算出顆粒與集體金屬可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以及生成的物質(zhì)，但有時(shí)通過(guò)XRD檢測(cè)卻發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)并不存在，說(shuō)明發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是需要一定條件的，可能與溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、時(shí)間長(zhǎng)短等有關(guān)。因此，如何調(diào)控反應(yīng)環(huán)境獲得所需的界面物質(zhì)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

4.2界面強(qiáng)度

目前尚無(wú)直接測(cè)量金屬基復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度的方法，雖有學(xué)者從原子角度，采用半經(jīng)驗(yàn)和半定量的方法計(jì)算界面結(jié)合強(qiáng)度，或者根據(jù)韌性斷裂機(jī)理來(lái)計(jì)算，或者根據(jù)“臨界應(yīng)力分配”模型測(cè)量了顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，但他們的計(jì)算結(jié)果相差很大?？傊壳八玫降慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度的分散性很大，方法還很不成熟，需要進(jìn)一步探索和完善。

界面力學(xué)目前在工程中的應(yīng)用主要局限于線性和發(fā)生脆性破壞的問(wèn)題，對(duì)于更為復(fù)雜的界面問(wèn)題，如非線性、多界面的相互作用、界面動(dòng)力學(xué)特性等，尚處于理論探索階段。

復(fù)合材料的破裂不一定局限于界面端，當(dāng)界面上某點(diǎn)的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重時(shí)，起裂是從該應(yīng)力集中點(diǎn)處開(kāi)始，但目前對(duì)這類界面起裂條件的研究還非常少。

4.3細(xì)觀力學(xué)

細(xì)觀尺度模擬最大的優(yōu)點(diǎn)是能較細(xì)致地描述復(fù)合材料的微觀幾何結(jié)構(gòu)，從而能夠很好地模擬復(fù)合材料的微觀力學(xué)行為。但該方法無(wú)法描述整體工件的宏觀力學(xué)行為和無(wú)法滿足工程應(yīng)用的需要。對(duì)材料加工中的變形可以采用宏觀尺度模擬，但是忽略了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)尤其是顆粒與基體間的相互作用，從而影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果通過(guò)材料加工的變形構(gòu)造出能夠真實(shí)反映所模擬材料的本構(gòu)關(guān)系，將復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒對(duì)基體的作用通過(guò)復(fù)合材料變形過(guò)程中的本構(gòu)方程表示出來(lái)，再進(jìn)行工件加工變形的宏觀模擬，則是今后工作需研究的問(wèn)題。

建立細(xì)觀模型模擬時(shí)往往把材料結(jié)構(gòu)假設(shè)為嚴(yán)格的周期性分布且大小相同的顆粒增強(qiáng)相，這與實(shí)際結(jié)構(gòu)顯然是不真實(shí)的，因?yàn)樵趶?fù)合材料界面和內(nèi)部都會(huì)有團(tuán)聚和損傷的可能，因此在數(shù)值模擬時(shí)需要考慮。可以通過(guò)建立多顆粒均勻分布和團(tuán)聚兩種微觀結(jié)構(gòu)模型，以及對(duì)基體不考慮損傷和考慮損傷兩種情況，共建立四個(gè)有限元模型進(jìn)行模擬分析。在相同變形條件下，團(tuán)聚會(huì)造成變形更加困難，拉伸應(yīng)力會(huì)高于均勻分布，同樣不考慮損傷的模型拉伸應(yīng)力也會(huì)高于考慮損傷的應(yīng)力［12］。

目前增強(qiáng)體的細(xì)觀力學(xué)主要集中在實(shí)心增強(qiáng)體，對(duì)中空增強(qiáng)體分析的較少。復(fù)合材料真實(shí)結(jié)構(gòu)的模擬很大程度上還是增強(qiáng)相分布的問(wèn)題，因此復(fù)合材料增強(qiáng)相任意分布數(shù)值模擬問(wèn)題仍是有待解決和完善的重要問(wèn)題。

[1] 許并社.材料界面的物理與化學(xué)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2006.5.

[2] Bogy D B. On the plane elastostatic problem of a loaded crack terminating at a material interface [J]，Journal of Applied Mechanics，1971.38，911.

[3] ZHANG C F, FAN T X, CAO W, et al. Size control of in situ formed reinforcement in metal melts-theoretical treatment and application to in situ(AlN+Mg2Si)/Mg composites [J]. CompositesScience and Technology. 2009，69 (15-16)：2688-2694.

[4] TROJANOVá Z, G?RTNEROVá V, J ?ER A et al. Mechanical and fracture properties of an AZ91 Magnesium alloy reinforced by Si and SiC particles [J].Composites Science and Technology, 2009，69 (13)：2256-2264.

[5] 曹瑋.原位TiCp增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備及其性能研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2009.

[6] LUO. Processing, Magnesium Microstructure, and mechanical metal matrix composites behavior of cast [J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1995，26(9)：2445-2455.

[7] I.Narasimha Murthy，D.Venkata Rao，J.Babu Rao. Microstructure and mechanical properties of aluminum-fly ash nano composites made by ultrasonic method [J]. Materials and Design, 35(2012)：55-65.

[8] 黃志求.AZ91D鎂合金-漂珠復(fù)合材料的制備及性能[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[9] 羅燕，龍文元等.空心微珠增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料彈塑性性能的模擬預(yù)測(cè)[J].鑄造技術(shù)，2010,31(11)：1435-1438.

[10] N. Chawla, V.V. Ganesh, B. Wunsch. Three-dimensional (3D) microstructure visualization and finite element modeling of the mechanical behavior of SiC particle reinforced aluminum composites. Scripta Materialia. 2004.51：161-165.

[11] 張江濤. 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[12] Segurado J, Gonzalez C, Llorca J. A numerical investigation of the effect of particle clustering on the mechanical properties of composites. Acta Materialia.2003,51(8)：2355-2369.

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(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目“漂珠/鎂合金復(fù)合材料的界面及力學(xué)行為機(jī)理研究”（313056）

2015-02-05

稿件編號(hào):1502-799

李凡國(guó)（1978—），男，在讀博士，副教授，從事金屬材料方面的研究工作.