哈工大 材料表面與界面復(fù)習(xí)題庫

1、材料表面界面復(fù)習(xí)題-材物整理1. 液體原子結(jié)構(gòu)的主要特征。（1）液體結(jié)構(gòu)中近鄰原子數(shù)一般為511個（呈統(tǒng)計分布），平均為6個，與固態(tài)晶體密排結(jié)構(gòu)的12個最近鄰原子數(shù)相比差別很大；（2）在液體原子的自由密堆結(jié)構(gòu)中存在五種間隙，四面體間隙占了主要地位。（3）液體原子結(jié)構(gòu)在幾個原子直徑范圍內(nèi)是短程有序的，而長程是無序的。 2. 液體表面能的產(chǎn)生原因。在液體的內(nèi)部任何分子周圍的吸引力是平衡的，可是在液體表面層的分子卻不相同。因為表面層的分子，一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。因此在液體表面層中，每個分子都受到一個垂直于液面并指向液體內(nèi)部的

2、不平衡力。這種吸引力使表面上的分子趨向于擠入液體內(nèi)部，促成液體的最小表面積。要使液體的表面積增大就必須要反抗液體內(nèi)部分子的吸引力而做功，從而增加分子的位能。所以說，分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這種位能就是液體的表面能。3. 液體表面張力的概念和影響因素。 液體表面層的原子或分子受到內(nèi)部原子或分子的吸引，趨向于擠入液體內(nèi)部，使液體表面積縮小，因此在液體表面的切線方向始終存在一種使液體表面積縮小的力。液體表面的這種作用力被稱為液體的表面張力。液體的表面張力大小受很多因素的影響。如果不考慮液體內(nèi)部其它組元向液體表面的偏聚和液體外部組元在液體表面的吸附，液體表面張力大小主要受物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)、所

3、接觸的介質(zhì)和溫度的影響。 （1）液體的表面張力來源于液體內(nèi)部原子或分子間的吸引力，因此液體內(nèi)部原子或分子間的結(jié)合能的大小直接影響到液體的表面張力的大小。一般來說，液體中原子或分子間的結(jié)合能越大，表面張力越大。具有金屬鍵原子結(jié)合的物質(zhì)的表面張力最大；其次由大到小依次為：離子鍵結(jié)合的物質(zhì)、極性共價鍵結(jié)合的物質(zhì)、非極性共價鍵結(jié)合的物質(zhì)。 (2)液體的表面張力的產(chǎn)生是由于處于表面層的原子或分子一方面受到液體內(nèi)部原子或分子的吸引，另一方面受到液體外部原子或分子的吸引。當(dāng)液體處在不同介質(zhì)環(huán)境時，液體表面的原子或分子與不同物質(zhì)接觸所受的作用力不同，因此導(dǎo)致液體表面張力的不同。一般來說，介質(zhì)物質(zhì)的原子或分子與

4、液體表面的原子或分子結(jié)合能越高，液體的表面張力越小；反之，介質(zhì)物質(zhì)的原子或分子與液體表面的原子或分子結(jié)合能越低，液體的表面張力越大。 （3）液體的表面張力還與溫度有關(guān)。溫度升高，液體的密度降低，液體內(nèi)部原子或分子間的作用力降低，因此液體內(nèi)部原子或分子對表面層的原子或分子吸引力減弱，導(dǎo)致液體的表面張力下降。 = 0(1T/Tc)n 舉例：水的表面張力隨溫度的升高而下降的趨勢。這一變化規(guī)律可以從兩個方面進(jìn)行解釋：一方面，隨溫度升高，水的體積膨脹，內(nèi)部分子間距離增大，導(dǎo)致水中內(nèi)部分子對表面分子的吸引力降低；另一方面，隨溫度升高，蒸汽壓提高，氣相中的分子對水表面分子的吸引力增大。 4. 固體表面能的影

5、響因素。影響固體表面能的主要因素有：固體原子間的結(jié)合能、固體表面原子的晶面取向和溫度。 （1）由于表面能的大小主要取決于形成固體新表面所消耗的斷鍵功，因此原子間的結(jié)合能越高，斷開相同結(jié)合鍵需要消耗的能量越高，所形成的固體表面能越高。（2）由于固體晶體結(jié)構(gòu)是各向異性的，不同晶面的原子面密度不同，所以形成單位面積的新表面需要斷開原子鍵的數(shù)量不同，導(dǎo)致所形成的表面能不同。一般來說，固體表面原子面密度越高，形成單位面積的新表面需要斷開原子鍵的數(shù)量越小，表面能越低。（3）與液體一樣，固體的表面能隨溫度的升高而下降，并且固體表面能隨溫度升高而下降的速度大于液體。5. 計算并討論立方晶系（100）、（110

6、）和（111）面的表面能大小。采用“近鄰斷鍵模型”來計算固體晶體的表面能。假設(shè)：第一，每個原子只與其最近鄰的原子成鍵（最近鄰原子數(shù)即為該晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)），并且只考慮最近鄰原子間的結(jié)合能；第二，原子間的結(jié)合能不隨溫度變化。 對于具有任意晶體結(jié)構(gòu)的固態(tài)晶體，某一晶面hkl的表面能（Shkl）可以用下式計算： Shkl = NhklZ(Ua/2) 其中Nhkl為hkl晶面單位面積的原子數(shù)，Z為晶體沿hkl晶面斷開形成新表面時hkl晶面上每個原子需要斷裂的鍵數(shù)。aaa 簡單立方：(d)111晶面(b)001晶面(c)011晶面(a)單胞結(jié)構(gòu)面心立方：a(a)單胞結(jié)構(gòu)a(b)001晶面a(c)011晶

7、面(d)111晶面a體心立方次表面最表面再次表面6. 固體晶體表面形狀的形成原則和確定方法。 固體晶體的表面平衡形狀一方面取決于所形成的總表面積大小，但更重要的是決定于構(gòu)成表面的晶面表面能大小。一般情況下，固體晶體的表面由那些表面能較低的低指數(shù)晶面組成，從而形成多面體形狀。固體晶體平衡形狀（多面體）形成的原則是固體總表面自由能最低。當(dāng)固態(tài)球狀晶體加熱后，固體晶體會變?yōu)槎嗝骟w，其原因就是這樣的多面體的總表面自由能最低。因此，固體表面的平衡形狀為多面體。(b)0.59cm0.32cm(11)(10)(a)(11)(10)OAB 假設(shè)三個圖形的面積均為1cm2，正八邊形的邊長約為0.46cm。假設(shè)該

8、二維晶體(10) 晶面的表面能為2.510-5J/cm，(11) 晶面的表面能為2.2510-5J/cm，則可以通過計算得到：圖 (a)所示的二維晶體總表面自由能為: Ga = 412.510-5 = 10-4J；圖 (b)所示的二維晶體總表面自由能為: Gb = 412.2510-5 = 910-5J；圖 (c)所示的二維晶體總表面自由能為: Gc = 40.462.510-5 + 40.462.2510-5 = 8.7410-5J。(11)(11)(10)(10)(a)(b)(c)對比計算結(jié)果可以看出，圖 (c)所示的八邊形具有最低的總表面自由能。按照Wuff提出的晶體平衡形狀的半經(jīng)驗規(guī)律

9、，OA/OB = (10) /(11)。再根據(jù)兩個四邊形的公共部分所組成的八邊形的面積應(yīng)該為1cm2，就可以最終確定該八邊形的尺寸。計算結(jié)果表明，該八邊形(10)邊的長度為0.32cm，(11)邊的長度為0.59cm，如圖 (b)所示。按照這樣的八邊形計算得到的總表面自由能為 G = 40.322.510-5 + 40.592.2510-5 = 8.5110-5J。這樣的八邊形的表面自由能低于正八邊形表面自由能（8.7410-5J），是該晶體以(10)和(11)晶面組成表面的最穩(wěn)定的平衡形狀。7. 對比分析固體表面物理吸附和化學(xué)吸附的主要特點。物理吸附：（1）固體表面的分子或原子具有不均勻力場

10、，當(dāng)氣體分子（原子）接近固體表面時，將受到固體表面分子（原子）的吸引力，在固體表面形成富集。這種現(xiàn)象為物理吸附。（2）如果被吸附物質(zhì)深入到固體體相內(nèi)部，則稱為吸收。（3）物理吸附的作用力是范德華力，可以看作是氣體冷凝形成的液膜，因此物理吸附熱的數(shù)值與液化熱相似。（4）因為范德華力存在于任何分子之間，因此物理吸附?jīng)]有選擇性。（5）物理吸附速度一般較快。（6）物理吸附往往容易脫附，是可逆的?；瘜W(xué)吸附：（1）通過電子轉(zhuǎn)移或電子對共用形成化學(xué)鍵或生成表面配位化合物等方式產(chǎn)生的吸附為化學(xué)吸附。（2）化學(xué)吸附的作用力是化學(xué)鍵力，吸附力較大，吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱相似。（3）只有固-液體系滿足化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)條

11、件時，化學(xué)吸附才能發(fā)生，因此化學(xué)吸附有選擇性。（4）化學(xué)吸附需要一定的活化能，所以吸附速度較慢。（5）化學(xué)吸附一般不發(fā)生脫附，所以是不可逆的。8. 固體表面吸附Langmuri等溫式的基本假設(shè)、推導(dǎo)過程和物理含義?；炯僭O(shè)：（1）固體表面是均勻的，表面各個位置發(fā)生吸附時吸附熱都相等。（2）固體表面存在一定的活化位置，每個活化位置只能吸附一個分子（原子）。（3）吸附只發(fā)生在固體的空白表面上，并且是單分子層吸附。（4）被吸附分子（原子）間沒有相互作用力。（5）當(dāng)吸附在固體表面的分子（原子）熱運動足夠大時，又可發(fā)生脫附。（6）吸附速率和脫附速率相等時，達(dá)到動態(tài)平衡假設(shè)固體表面有S個吸附位，其中已被吸

12、附了S1個，還有S0個未被吸附，則：固體表面已被吸附的面積分?jǐn)?shù)為：= S1/S固體表面未被吸附的面積分?jǐn)?shù)為：1-=S0/S氣體的吸附速率v1與氣體的壓力p和未被吸附面積分?jǐn)?shù)（1-)成正比： v1 = k1p(1-)已吸附分子（原子）的脫附速率v2與已被吸附面積分?jǐn)?shù)（)成正比： v2 = k2式中k1和k2為比例常數(shù)，在恒溫下吸附與脫附達(dá)到平衡時，有：v1 = v2即：k1p(1- ) = k2, = k1p/(k2 + k1p)令：吸附系數(shù)b = k1/k2，則： = bp/(1 + bp)Langmuri等溫式描述了固體表面已被吸附的面積分?jǐn)?shù)（ ）與氣體平衡壓力（p）之間的關(guān)系。9. 固體表

13、面吸附質(zhì)超點陣的概念及表示方法對有吸附粒子的金屬表面進(jìn)行的電子衍射結(jié)果表明， 除了競速表面原子的衍射斑點外，還出現(xiàn)了吸附粒子所造成的衍射斑點，說明被吸附粒子在金屬表面形成了規(guī)律排列的二維點陣。這種由被吸附粒子在金屬表面形成的二維點陣稱為超點陣?？捎肳ood標(biāo)注法說明超點陣與金屬表面點陣之間的關(guān)系。如果金屬表面點陣的基矢為a1和a2，超點陣的基矢為as1和as2，則超點陣單元基矢的標(biāo)注為(as1/a1as2/a2)。超點陣表示方法：圖中給出的四種超點陣標(biāo)注分別為：(11)、(22)、C(22)和(31)。其中C表示在超點陣單元中心多出一個吸附原子。一個超點陣圖樣的Wood完整標(biāo)注還應(yīng)包括吸附劑和

14、吸附質(zhì)的種類和表面覆蓋率。例如：Ni(111)-C(22)-O(1/4)表示氧在金屬鎳的(111)表面吸附時，當(dāng)表面覆蓋率達(dá)到 =1/4時，得到的超點陣圖樣為C(22)。10. 討論液體在固體表面的潤濕與鋪展現(xiàn)象。(看書和PPT)（1） 潤濕現(xiàn)象及潤濕角 液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象，稱為潤濕。能被水潤濕的物質(zhì)叫親水物質(zhì)，如玻璃，石英。不能被水潤濕的物質(zhì)叫疏水物質(zhì)，如石蠟，石墨。潤濕與不潤濕不是截然分開的，可用潤濕角進(jìn)行定量描述。潤濕角定義：當(dāng)固液氣三相接觸達(dá)到平衡時，從三相接觸的公共點沿液氣界面作切線，切線與固液界面的夾角為潤濕角。潤濕角大小與潤濕程度的關(guān)系：q90 o：不潤濕q=0 o：完全

15、潤濕q=180o：完全不潤濕潤濕角公式：ss-g=ss-l+sl-g cosq所以 cosq（ss-gss-l）/sl-g當(dāng)ss-gss-l時，cosq0，q90 o，ss-g與ss-l差越大，潤濕性越好。當(dāng)ss-gss-l時，cosq90 o，ss-g與ss-l差越大，不潤濕程度越大。以上方程的使用條件：ss-gss-lsl-g，ss-g為固體的表面能(2) 液體在固體表面的鋪展?jié)櫇褡饔每梢詮姆肿娱g作用力來分析：液體分子間相互吸引力內(nèi)聚力，液固分子間吸引力粘附力。內(nèi)聚力粘附力：不潤濕 內(nèi)聚力0時，B在A表面上會自動鋪展開，S值越大，鋪展越容易S0是鋪展的基本條件，這時sAsBsAB0對液相在

16、固相表面的鋪展：sAss-gsBs l-gsAB=sl-s，所以ss-gsl-ss l-g 0，所以ss-gsl-s s l-g。這時潤濕角方法已經(jīng)不能再適用。鋪展是潤濕的最高標(biāo)準(zhǔn)11. 分析晶界結(jié)構(gòu)模型。多晶體中各晶粒之間的交界晶界。多晶體的性能與晶內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前對大角晶界提出的晶界結(jié)構(gòu)模型有：1) 晶界是由非晶體粘合物構(gòu)成2) 島狀模型：小島內(nèi)原子排列整齊3) 晶界點缺陷模型：晶界有大量空位間隙原子4) 晶界結(jié)構(gòu)位錯模型5) 重合位置點陣多晶體晶界一般為大角晶界。大角晶界的結(jié)構(gòu)模型很多，其中重合位置點陣晶界 （Coincident-site Lattice，CSL）

17、模型比較成熟。相鄰兩晶粒旋轉(zhuǎn)時，到某一角度，兩晶體中的某些原子位置對稱（重合），這種點陣為重合位置點陣。此時，晶界上的某些原子為兩晶粒共有，類似于孿晶，晶界上由排列紊亂部分和無規(guī)則部分組成。為了定量表示重合位置點陣的數(shù)值，用“”表示重合點陣占晶體點陣的多少重合數(shù)。 =（CSL單胞體積）/（晶體點陣單胞體積）重合位置點陣表示：晶面指數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度、重合數(shù)。 12. 晶界原子偏聚的產(chǎn)生原因和影響因素。（a）偏聚現(xiàn)象：晶界上溶質(zhì)元素濃度高于晶內(nèi)（10-1000倍）（b）偏聚動力：晶界處結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量高，溶質(zhì)元素在晶內(nèi)產(chǎn)生畸變能。溶質(zhì)從晶內(nèi)向晶界附近偏聚，使系統(tǒng)能量降低。（c）正吸附與反吸附：正吸附：使

18、晶界表面張力降低的溶質(zhì)原子向晶界偏聚，如鋼中C，P。反吸附：使晶界表面張力增加的溶質(zhì)原子遠(yuǎn)離晶界，如鋼中Al。（d）偏聚與偏析：偏聚：固態(tài)擴(kuò)散造成為平衡態(tài)平衡偏聚偏析：液態(tài)凝固時形成，為非平衡態(tài)（e）影響因素： 晶界能；雜質(zhì)原子與基體原子尺寸差；濃度；第三種元素共同偏聚；晶界結(jié)構(gòu)。（f）作用不利影響：Ca在Al2O3晶界偏聚：KIC下降;Ca在Si3N4晶界偏聚：s下降;P在Fe晶界偏聚：KIC下降;O在Fe晶界偏聚：Tc上升有利影響：C在Mo晶界偏聚：塑性增加;P在2.25Cr-Mo晶界偏聚：抗拉強度增加;F在MgO晶界偏聚：熔點下降，熱壓燒結(jié)性能增加13. 討論晶界位向角與晶界能的關(guān)系。晶

19、界的能量為單位面積自由能，包含表面張力和成分偏聚的影響。式中：mii元素化學(xué)，ii元素界面與內(nèi)部濃度差從圖2-17可以看出，在小角晶界范圍內(nèi)，晶界能（E）隨晶界位向角（）的增加而迅速增大。大角晶界界面能與位向角基本無關(guān)，但在共格孿晶（t）和重合位置點陣（a和b）出現(xiàn)時，晶界能有一個明顯的下降。tbaE014. 固固界面能和界面應(yīng)變能的產(chǎn)生原因、大小分析及對界面形狀的影響。界面能：兩相表面能產(chǎn)生界面能。對于確定兩相界面組成的界面，總界面能的大小主要取決于界面面積。因此相界面應(yīng)該為球狀。界面應(yīng)變能：兩相共格界面處，由于界面原子同時受到兩相的制約，原子所處的位置要偏離其平衡位置，產(chǎn)生額外應(yīng)變能。非共

20、格界面沒有這樣的應(yīng)變能。固態(tài)相變時，因新相和母相的比容不同，新相形成時的體積變化將受到周圍母相的約束而產(chǎn)生應(yīng)變能。當(dāng)只考慮界面應(yīng)變能時，新相為盤狀時界面能量最低，球狀是界面能量最高。母相中形成新相時，新相的形狀取決于界面能和界面應(yīng)變能的對比。15. 金屬表面熱滲鍍的特點與分類。特點：（1）靠熱擴(kuò)散形成表面強化層，結(jié)合力很強 （2）熱滲鍍材料的選擇范圍很寬分類：（1）固溶法：粉末包滲法、流化床法。粉末包滲法：把工件埋入裝有滲層金屬粉末的容器里，進(jìn)行加熱擴(kuò)散。為防止粉末燒結(jié)使工件表面難于清理，在粉末中要加入防粘結(jié)粉末（如Al2O3）。為加速滲入過程，在粉末中加入活化劑（助滲劑），通過化學(xué)反應(yīng)使?jié)B層

21、金屬變成活性金屬原子。（2）液滲法：熱浸法，融溶法，鹽溶法熱滲法：將工件直接浸入某一液態(tài)金屬中，形成合金鍍層，繼續(xù)加熱使鍍層擴(kuò)散形成合金層。例如：鋼熱浸鋁。（3）氣滲法：加熱工件到滲劑原子在基體中能顯著擴(kuò)散的溫度，通入含有滲劑金屬鹵化物（MCl2）的氫氣，在工件表面發(fā)生如下反應(yīng)：MCl2A ACl2M (A為基體金屬)MCl2H2 2HClM反應(yīng)生成的活性金屬原子M滲入工件表面。（4）離子轟擊滲鍍法：通過在低真空下氣體輝光放電使?jié)B劑金屬變成等離子態(tài)。離子活性比原子高，再加上電場的作用，所以此方法滲速高，質(zhì)量好。（5）復(fù)合滲：利用各種方法，將工件表面形一固相涂層，然后加熱擴(kuò)散。鍍層工藝和加熱工藝

22、多種多樣。16. 金屬表面熱滲鍍的滲鍍元素與基底元素有限固溶并有中間化合物形成的滲層組織分析。該圖表示在二元系中滲劑金屬B向基體金屬A滲入的過程及形成滲層的平衡組織特點。當(dāng)將金屬A放在B的粉末中，在溫度T進(jìn)行滲鍍時，B則溶入A中形成固溶體,此時B在A中的濃度分布如圖14（c）曲線1所示。隨后B原子不斷溶入和擴(kuò)散，使表面的濃度逐漸增加，滲層厚度也增加，當(dāng)B在A中的濃度達(dá)到該溫度下的飽和平衡濃度時C時，則b的濃度分布如圖14（c）曲線2所示，這時，由于濃度起伏，在固溶體的外表面層中可能出現(xiàn)濃度為C1極小的高濃度區(qū)。當(dāng)B原子由外圍滲劑進(jìn)一步滲入時，就可能生成AnBm化合物新相，其濃度處于C1極小和C

23、1極大之間。隨著滲鍍過程的繼續(xù)進(jìn)行，滲層最外層濃度達(dá)到C1極大，如圖14（c）曲線3所示。同樣，在此層內(nèi)又可能出現(xiàn)達(dá)到c的濃度起伏，并從中形成新相，滲鍍結(jié)束時的B原子濃度分布如圖14（c）曲線4所示，滲層的組織由表及里依次為 AnBmA,如圖14（d）所示。17. 金屬表面熱噴涂的技術(shù)特點。 1）取材廣泛 2）可用于各種基體 3）基體保持較低溫度 4）工效高，比電鍍快 5）工件大小不受限制，可進(jìn)行局部噴涂，工件或整體均可 6）涂層厚度易控制 7）滿足各種性能需要：耐磨、耐蝕、高溫氧化、隔熱、高溫強度、密封、減磨（潤滑）、耐輻射、導(dǎo)電、絕緣等。18. 激光表面改性的特點。 由于加熱速度極快，基體

24、溫度不受影響 加熱層深幾個m，這樣薄層熔化需要能量幾個J/cm2，三束能量很高，可以在表面產(chǎn)生106108K/cm的穩(wěn)定梯度，表明迅速熔化，此溫度梯度又使熔化部分以1091011K/s速度冷卻，S-L界面推移速度為每秒幾米。 激光表面改性可提高表面抗蝕性和耐磨性，還可用于半導(dǎo)體技術(shù)和催化劑技術(shù)。 激光表面改性包括：改變表面成分：合金化、熔覆；改變表面結(jié)構(gòu)：表面相變硬化。 表面形成亞穩(wěn)組織，產(chǎn)生特種性能。19. 激光表面涂覆層的組織特點。與激光熔凝相似，只是熔化對象不同。激光涂覆的組織特點為： 1）晶粒細(xì)小（快冷所致）。 2）稀釋度很低時，界面出元素不擴(kuò)散。稀釋度較大時，涂層一側(cè)發(fā)生液態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)

25、散距離較大；基體一側(cè)，固態(tài)擴(kuò)散，擴(kuò)散距離很小。 3）由于涂層凝固收縮受到基體阻礙，冷卻后得到的涂層內(nèi)有殘余應(yīng)力。另外，涂層與基體熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生裂紋。解決辦法：預(yù)熱基體，涂覆后熱處理。 4）氣孔：高溫液相吸收空氣中氣體，凝固冷卻后過飽和析出，凝固收縮形成氣孔。這種氣孔細(xì)小，可用保護(hù)氣氛進(jìn)行防止。基體與涂層界面大氣孔和搭接涂層過程產(chǎn)生的大氣孔， 可以通過控制涂覆參數(shù)和搭接度解決。20. 制備納米晶材料時要注意哪些問題。1）控制經(jīng)歷尺寸并保證其均勻性：要求制備過程中，獲得的原子團(tuán)簇尺寸要小，且尺寸分布區(qū)間窄，并盡量控制原子團(tuán)簇之間的合并長大。對金屬來說，采用低的先驅(qū)體材料汽化速率（低蒸發(fā)速率）

26、，惰性氣體壓力要低，采用輕的惰性氣體，這有利于獲得較小的原子團(tuán)簇，加快氣體對流速度，也可達(dá)到相同效果。2）保持界面清潔：原子團(tuán)簇經(jīng)收集后，應(yīng)在超真空條件下，進(jìn)行低壓和高壓收縮，這可以保證原子團(tuán)簇表面及后續(xù)形成的界面最大程度的清潔，使納米材料的氣體殘留量降到最低。3）降低孔隙率：盡管納米材料的孔隙率相對較低，粉末成團(tuán)導(dǎo)致類似氣孔缺陷，但孔的形成可能是原子團(tuán)簇聚集形成的孔狀缺陷，在不明顯增大晶粒尺寸的情況下，適當(dāng)提高壓縮條件下的溫度和壓力，可避免缺陷。4）提高穩(wěn)定性：納米晶材料的晶粒長大行為與擴(kuò)散有關(guān)，其長大速率與普通材料相比較慢，穩(wěn)定性搞，關(guān)鍵在于避免晶界污染，保證晶粒尺寸小而均勻，通過合理的摻

27、雜和生長化合物，提高材料的穩(wěn)定性。5）注重多元納米材料、納米復(fù)合材料的研究：不同類型、尺寸、形態(tài)的納米相可經(jīng)過反應(yīng)，包覆和混合來合成具有納米尺度、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的多元材料，對納米復(fù)合材料的研究，目前集中在單相金屬和陶瓷。21. 金屬基復(fù)合材料界面的分類和結(jié)合機(jī)制。根據(jù)增強材料與基體的相互作用情況，金屬基復(fù)合材料的界面可以歸納為三種類型。 第一類界面的特征為金屬基體和增強體之間既不反應(yīng)也不互相溶解，界面相對比較平整。第二類界面的特征為金屬基體和增強體之間彼此不發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，但浸潤性好，能發(fā)生界面相互溶解擴(kuò)散，基體中的合金元素和雜質(zhì)可能在界面上富集或貧化，形成犬牙交錯的溶解擴(kuò)散界面。第三類界面的特

28、征為金屬基體和增強體之間彼此發(fā)生界面化學(xué)反應(yīng)，生成新的化合物，形成界面層。取決于復(fù)合工藝條件、加工和使用條件，實際復(fù)合材料中的界面可能不是單一的類型，而是以上三種類型的組合。此外，各類界面間并沒有嚴(yán)格的界限，在不同條件下同樣組成的物質(zhì)，或在相同條件下不同組成的物質(zhì)可以構(gòu)成不同類型的界面。類型一類型二類型三金屬基體和增強體既不反應(yīng)也不互相溶解金屬基體和增強體不反應(yīng)但互相溶解金屬基體和增強體之間發(fā)生反應(yīng)生成界面反應(yīng)物Cu-WCu-Al2O3Ag-Al2O3Al-B(表面涂BN)Al-不銹鋼Al-BAl-SiCCu-Cr合金-WNb-WNi-CNi-WCu-Ti合金-WTi-Al2O3Ti-BTi-

29、SiCAl-SiO2Al-C(在一定溫度下)Mg-Al18B4O33w界面的結(jié)合力有三類：機(jī)械結(jié)合力，物理結(jié)合力和化學(xué)結(jié)合力。機(jī)械結(jié)合力就是摩擦力，它決定于增強體的比表面、粗糙度以及基體的收縮。比表面和粗糙度越大，基體收縮越大、摩擦力也越大。物理結(jié)合力包括范德華力和氫鍵?；瘜W(xué)結(jié)合力就是化學(xué)鍵，它在金屬基復(fù)合材料中有重要作用。根據(jù)上面的三種結(jié)合力，金屬基復(fù)合材料中的界面結(jié)合基本可分為四類，即：機(jī)械結(jié)合；共格和半共格原子結(jié)合；擴(kuò)散結(jié)合；化學(xué)結(jié)合。(1)機(jī)械結(jié)合基體與增強體之間純粹靠機(jī)械結(jié)合力連接的結(jié)合形式稱為機(jī)械結(jié)合。它主要依靠增強材料粗糙表面的機(jī)械“錨固”力和基體的收縮應(yīng)力來包緊增強材料產(chǎn)生摩擦

30、力而結(jié)合。結(jié)合強度的大小與纖維表面的粗糙程度有很大關(guān)系，界面越粗糙，機(jī)械結(jié)合越強。事實上由于材料中總有范德華力存在，純粹的機(jī)械結(jié)合很難實現(xiàn)。機(jī)械結(jié)合存在于所有復(fù)合材料中。既無溶解又不互相反應(yīng)的第一類界面屬這種結(jié)合。(2)共格和半共格原子結(jié)合共格和半共格原子結(jié)合是指增強體與基體以共格和半共格方式直接原子結(jié)合，界面平直，無界面反應(yīng)產(chǎn)物和析出物存在。金屬基復(fù)合材料中以這種方式結(jié)合的界面較少。(3)擴(kuò)散結(jié)合擴(kuò)散結(jié)合是基體與增強體之間發(fā)生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解(也可能基體和增強物之一溶解于另一種中)而產(chǎn)生的一種結(jié)合。般增強材料與基體具有一定潤濕性，在浸潤后產(chǎn)生局部的互溶才有一定結(jié)合力。如果互相溶

31、解嚴(yán)重，以至于損傷了增強材料，則會改變增強材抖的結(jié)構(gòu)，削弱增強材料的性能，從而降低復(fù)合材料的性能。 (4)化學(xué)結(jié)合 它是基體與增強體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上形成化合物而產(chǎn)生的一種結(jié)合形式，由反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)鍵合提供結(jié)合力，它在金屬基復(fù)合材料中占有重要地位，第三類界面屬這種結(jié)合形式。對于制備高性能金屬基復(fù)合材料、控制界面反應(yīng)程度到形成合適的界面結(jié)合強度極為重要。即使界面反應(yīng)末造成增強體的損傷和形成明顯的界面脆性相、只造成強界面結(jié)合也是十分有害的，這對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料尤為重要。一般情況下，金屬基復(fù)合材料是以界面的化學(xué)結(jié)合為主、有時也有兩種或兩種以上界面結(jié)合方式并存的現(xiàn)象。22. 纖維增強金屬基

32、復(fù)合材料界面殘余應(yīng)力的計算。對于一個給定的金屬基復(fù)合材料體系，由于外部溫度變化產(chǎn)生界面熱錯配應(yīng)力的大小可以進(jìn)行理論計算。以長纖維增強金屬基復(fù)合材料為例。假設(shè)復(fù)合材料中界面結(jié)合強度足夠高，以至在界面熱錯配應(yīng)力作用下不發(fā)生滑動和開裂。圖5-5（a）為在T1溫度下復(fù)合材料處于原始狀態(tài)（熱錯配應(yīng)力為零）的示意圖。當(dāng)該復(fù)合材料被加熱到T2溫度時，如果纖維與基體間無相互約束，則纖維與基體將發(fā)生自由膨脹，結(jié)果如圖5-5（b）所示。但實際上復(fù)合材料中纖維與基體之間是相互約束的，并且我們前面已經(jīng)假設(shè)界面不發(fā)生滑動和開裂，所以界面約束的作用結(jié)果是纖維受基體的拉伸作用而比自由膨脹時的膨脹量有所增加；而基體受纖維的壓

33、縮應(yīng)力作用而比自由膨脹時的膨脹量有所減小，結(jié)果如圖5-5（c）所示。纖維基體基體(a) T1溫度纖維基體基體(b) T2溫度, 界面自由纖維基體基體(c) T1溫度，界面約束dmdcdfl由圖1可以很顯然得到以下計算公式： dm = (T2-T1)m l (5.7) df = (T2-T1)f l (5.8) dc = (T2-T1)c l (5.9)其中：m、f和c分別為基體、纖維和復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。從上面3個公式可以得到基體、纖維和復(fù)合材料的自由膨脹應(yīng)變m、f和c分別為： m = (T2-T1)m (5.10) f = (T2-T1)f (5.11) c = (T2-T1)c (5.1

34、2)對比圖5-5（b）和（c）可以得到，復(fù)合材料中界面熱錯配應(yīng)力的產(chǎn)生是由于在界面約束條件下基體少膨脹和纖維多膨脹引發(fā)的彈性應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力，其值應(yīng)該為： i = (c - f ) Ef = (m -c )Em (5.13)其中：i為界面熱錯配應(yīng)力，Ef和Em分別為纖維和基體的彈性模量。將公式（5.10），（5.11）和（5.12）帶入（5.13），則得到復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)c的計算公式： c =（m Em +f Ef ）/（Em + Ef ） （5.14）而將公式（5.14）帶入公式（5.13），便可得到金屬基復(fù)合材料中的界面熱錯配應(yīng)力為： i = (T2-T1)（m -f ）Em Ef /（E

35、m + Ef ） （5.15） 從公式（5.15）可以看出，金屬基復(fù)合材料中的界面熱錯配應(yīng)力隨基體與增強體熱膨脹系數(shù)差和溫差的增加而提高。公式（5.15）對于金屬基復(fù)合材料體系設(shè)計和實際應(yīng)用具有重要的理論意義與實際價值23. 金屬基復(fù)合材料纖維臨界長徑比的計算。對于一個給定的短纖維增強的金屬基復(fù)合材料體系，短纖維若能在復(fù)合材料斷裂時發(fā)生破斷，其長徑比需要大于某一個臨界值。也就是說，長徑比低于該臨界值的短纖維在復(fù)合材料斷裂時不可能發(fā)生破斷，而只有那些長徑比大于該臨界值的短纖維在復(fù)合材料斷裂是才有可能發(fā)生破斷。我們稱該臨界值為短纖維增強金屬復(fù)合材料增強相的臨界長徑比，一般用表示。從臨界長徑比的定義和物理意義可以得到計算短纖維增強金屬復(fù)合材料增強相的臨界長徑比計算方法。假設(shè)在短纖維增強金屬復(fù)合材料中有一根長度為l，直徑為d的圓柱狀短纖維，如圖5-16所示。在平行于纖維軸向的外載荷P的作用下，該短纖維通過界面載荷傳遞最有可能斷裂的部位是其軸向的中間部位。假設(shè)該復(fù)合材料纖維與基體界面結(jié)合強度足夠高，那么單位界面面積能夠傳遞給纖維的最大載荷就取決于基體的剪切屈服強度。如果用s表示基體的剪切屈服強度，則兩端能傳遞給纖維中部的最大載荷（Pmax）應(yīng)該是從纖維中部到一端的側(cè)表面積與s的乘積，因此有： Pmax = (1/2 )lds (5.26)這時纖維承受的最大應(yīng)力（max）