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自生复合材料 1 自生复合材料及其理论基础 2 自生复合材料制备方法 3 自生复合材料的结构与性能 1.自生复合材料及其理论基础 1.1 自生复合材料(In-Situ Composites) 依靠人工复合方法制备的复合材料都有可能存在界面强度不合理，界面稳定性差的界面问题。自生复合材料在液态向固态转变过程中基体和增强体是共生的，因而不存在界面不稳定的问题(界面自适应) 共晶复合材料(Eutectic Composites) 共晶组织： 正常组织 ：片状，平行于生长方向纤维状，分布于连续基体中有一定的结晶学关系(二相间) 。 非正常组织：独立的二相，无明显的结晶学关系。 Javier LLorca, Progress in Materials Science 51 (2006) 711–809 液固界面结构 共晶组织形态取决于两相的熔融熵：((A((Sf/R ( 界面粗糙度(Jackson interface roughness parameter) A 结晶学参数(1， (Sf 熔化熵 R 气体常数 (2，固-液界面为原子粗糙界面，非小面界面状形成，生长不受形核率限制。 ( 2，固-液界面为原子光滑界面，小面界面状形成，生长受形核率限制。 粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面）：垂直长大。 光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。 共晶相界面关系 两相间的关系有三种： 非小晶面/非小晶面共晶 规则层片状或棒状 (粗糙-粗糙界面) (12， (22两者都小于2 非小晶面/小晶面共晶 不规则共晶组织 （粗糙-光滑界面） (1or (22 其中之一大于2 小晶面/小晶面 共晶组织相互独立 （光滑-光滑界面） (12，(22两者都大于2 共晶组织形态-----按组成相的 α值大小分类： · 金属-金属型（粗糙-粗糙界面） · 金属-非金属型（粗糙-光滑界面） · 非金属-非金属型（光滑-光滑界面） 定向凝固 (Directional Solidification) 由于第二相要生长为长径比很大的纤维状，第二相晶体在某一生长方向的速度必须很大。因此，必须在定向凝固条件下的定向生长，才能获得自生复合材料。 每个固相排斥另一相 由于定向凝固是在一定的温度梯度下进行的，而温度梯度只能是一个方向，因此自生复合材料只能是单向的。在单一方向热流的温度场中共晶自生复合材料中两相共生生长的条件： 一是合适的结晶前沿溶质场和界面过冷度 二是两相共同生长时界面必须匹配，也即小的界面张力时自生复合材料易于按平界面稳定生长的条件生长 在强制凝固的条件下，满足以上两个条件，一些非规则共晶可以按规则共晶组织的生长方向生长。 定向凝固过冷度： 成分过冷 曲率过冷 固液界面能 (Sm 单位体积熔化熵 动力学过冷 V尖端生长速度 (界面动力学系数 r 曲率半径 动力学过冷随着生长速度的增加而增加，在金属体系中可忽略，但在具有高熔化熵的氧化物陶瓷体系即使生长速度低也不可忽略 共晶复合材料的相间距和界面 共晶体的相间距可以用凝固速度来改变 自生复合材料的界面： 共晶生长满足界面能最低的条件，因而界面是稳定的，相容的，无扩散化学反应和热物理不相容等问题 二相间存在一定的位相关系，最小界面能方向是优先生长的取向。 片状共晶复合材料的形成条件 规则结构 (棒状或片层状)形成条件 两相都有低熔融熵(S (S/Rg 2 Rg 气体常数 一般当两共熔相的体积分散相近(0.3 Vf 0.5)，优先形成片层状结构 （V-V3Si例外） 共晶复合材料的强韧化 晶粒细化对强度的影响 Hall-Petch ( = (0((-1/2 界面强结合，有一定的结晶学关系，界面的作用表