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复合材料最重要的性能指标就是界面结合好坏,因此,界面性质是复合材料的重要研究部分。
复合材料界面两侧是俩种不同材料的基体,而界面处的原子结构、原子契合以及化学成分等也不同于两侧基体,所以界面的结合对复合材料的最终性能有着决定性的作用。
所以,通过对界面的结构、契合、缺陷和稳定性进行深层的分析理解,可以利用界面理论而开发新型特殊性能的复合材料。
而金属的复合能力比化学反应复合高,且表面无自清理作用,所以界面结合情况复杂,对界面结合理论有着不同的理论模型。
(1)金属键理论
巴顿在1954年提出了金属键理论模型,认为界面两侧金属原子要非常的接近,并且以达到原子间的相互吸引力发挥作用的程度时,才能形成界面的结合。然而巴顿的理论还是忽视了材料性能和原子能量状态随温度变化而非定值等因素。例如,有关研究表明复合材料结合时结晶方向对界面结合效果有很大影响。
(2)能量理论
西米诺夫在1958年的时候提出了能量理论模型,他认为金属间互相结合的必要条件不是原子扩散,而是金属原子的能量达到该金属结合的最低能量值,表面之间才能形成金属契合,但西米诺夫的理论没有说明金属的结合与连接金属物理化学性能之间的关联。
(3)扩散理论
卡扎柯夫提出的扩散理论是俩种金属在高温作用下,界面结合区域存在一层薄薄的扩散区,从而性能牢固的界面结合。如果根据这一理论,扩散层增厚,结合强度也就越高,但实际情况并不一定完全符合,是因为该理论没有考虑接触面的激活过程等方面。
(4)Borisov理论
Botisov理论是以多个模型为基础,基于传热学、传质学、对流热力学以及动力学,能够预测双金属在复合过程中的凝固组织、内部缺陷、结晶状态等,双金属复合过程中的冶金过程直接决定金属在凝固结合后的物理机械性能。有时,Stefan的热扩散模型可以很好的说明金属凝固过程,但是,在双金属复合过程中,凝固金属之间会有一个复合的过冷过程,此时界面结合生长前的部分金属夜就会形成不稳定的状态,在固液结合区会形成一种模糊区,此时的复合层大致有三个区域,固态区、模糊区、液态区,若冷度正好与凝固潜热相等,则模糊区就可成为准平衡区。
虽然有很多前辈做个关于双金属复合方面的理论研究,但在实际生产过程中,双金属复合铸造仍是以经验为主,没有系统的理论。双金属复合经常会出现多种的缺陷,如气孔、夹杂、裂纹等等,而且不同的工艺参数和方法也会达到不同的结合状态和铸造成品,综合性能与复合材料的结合强度也会产出影响,所以,关于双金属复合界面的结合研究一直是人们关注的重点。