Gr(C)f/Mg復合材料界面研究精髓 

鎂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,同時這些因素又相互作用、相互影響，共同決定復合材料的性能。研究界面微區結構、界面微區的元素分布、界面反應生成相等對指導制備和應用高性能復合材料具有重要的意義。其中界面結構和性能是決定材料性能的關鍵因素。

基體和增強體之間的結合狀況，包括界面的形狀、尺寸、成分、結構、基體與增強體之間由于過度化學反應導致的結合狀況不好、增強體的種類和制備工藝等，共同影響復合材料的界面性能，復合材料達不到根據加和原則預期的性能，使得界面研究變得非常困難。界面問題就是通過界面優化，控制界面反應來獲得能有效傳遞載荷、調節應力分布、阻止裂紋擴展的穩定的界面結構。界面反應程度對形成合適的界面結構和性能有很大的影響，按界面反應程度的不同，可將其分為以下類型：

(1)有利于基體與增強體浸潤、復合和形成的界面結合；

(2)有界面反應，增強體性能不下降，形成強界面結合；

(3)有界面反應，生成大量反應產物，形成聚集的脆性相和界面反應產物脆性層，造成纖維等增強體嚴重損傷，材料的性能急劇下降。制備鎂基復合材料過程中，應嚴格避免此類反應的發生。鎂基復合材料的界面反應由基體和增強體的成分來決定的。陳煜等人的研究發現，無論是在橫向還是縱向截面上，均未觀察到碳纖維與鎂基體在界面處形成碳鎂化合物，纖維和基體結合良好，無微觀孔洞和微裂紋。可見C和Mg之間無任何形式的化學反應，界面較為光滑，這種類型的界面在材料中占了絕大多數。

MgO是具有面心立方晶型的熱力學穩定相，是碳(石墨)纖維增強鎂基復合材料中普遍存在的一種界面反應物。S. Bodoardo等人在擴散粘結法制備的鎂基復合材料界面處發現了MgO且越靠近試樣心部，MgO的量越少。作者認為這是由于纖維表面的污染或者鑄造過程中引入氣體造成的。在M40(Torayca)增強鎂基復合材料中也同樣發現MgO，氧氣來源于M40纖維的次表面的孔洞，但是這些孔洞并沒有在P100(Thoenel)纖維中發現。F. Wu等人認為MgO的存在能改善纖維與基體的界面結合力。當基體鎂合金含有Al元素時，會在界面處析出Mg17Al12(β相), β相的存在會影響復合材料載荷的傳遞和基體中殘余應力的狀態。纖維的表面能越高，比如與高模量的碳纖維相比，低模量的碳纖維更容易導致β相形核，復合材料中β相的析出也更多。

另外兩種可能的界面反應物MgC2和Mg2C3，是非常活潑和不穩定的，這兩種碳化物只存在于700~1000K的純鎂基體中。當溫度高于500℃時，C會和Al發生反應生成Al4C3。在C/Mg-Al復合材料中，當鎂合金中Al元素的含量0.6wt.%~19wt.%范圍內，也會在界面處生成Al4C3。三元碳化物Al2MgC2在此Al含量范圍內容易形成，由于一般鎂合金中Al元素的含量都在這個范圍內，所以有關Al2MgC2的報道也是最多的。Al2MgC2會導致復合材料變脆，在纖維表面適當的TiCxNy涂層能夠在材料制備過程中阻止此碳化物的形成。還有其他對纖維表面改性的方法，如纖維表面SiO2、Al2O3等氧化涂層處理，改善Gr(C)纖維與Mg熔液的潤濕性；在纖維表面涂一層熱解碳，對界面反應物的形成產生很大影響；K. Zhang等人在纖維表面制作了C/SiC/SiO2復合涂層，使得復合材料的性能得到很大提高。C/Mg復合材料的界面處還存在大量的殘余應力，因此出現高的位錯密度。這是由于纖維的熱膨脹系數(平行纖維-1.4×10-6/K，垂直纖維12×10-6/K)與基體(~27×10-6/K)差別較大，在鑄造冷卻過程中，纖維與基體合金之間熱膨脹系數不匹配，將會在界面及近界面處產生熱錯配殘余應力，引發基體發生塑性流變，產生高密度位錯。高密度位錯的存在將引起位錯強化，提高復合材料的拉伸強度和剛度。Luo A.等人的研究表明增強體的引入還有細化晶粒的作用。基體合金初生相在增強體表面的非均勻形核、基體合金與增強體表面的界面熱交換，以及細小間距的增強體能夠限制基體晶粒過分長大，這些機制都使得鎂基復合材料基體的晶粒小于合金的晶粒度。http://www.bjzazl.cn