范同祥,張從發(fā),張 荻

(上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

金屬基復(fù)合材料的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

范同祥,張從發(fā),張 荻

(上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

首先介紹了材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,然后介紹了采用材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型在復(fù)合材料增強(qiáng)相與基體界面反應(yīng)控制、反應(yīng)自生增強(qiáng)相種類選擇、反應(yīng)自生增強(qiáng)相尺寸調(diào)控、復(fù)合材料體系設(shè)計(jì)以及復(fù)合制備工藝優(yōu)化等方面研究和應(yīng)用,最后進(jìn)行了總結(jié)和展望。

金屬基復(fù)合材料;熱力學(xué);動(dòng)力學(xué);模型

前 言

金屬材料是實(shí)際應(yīng)用最廣泛和最重要的材料,金屬材料通過(guò)可設(shè)計(jì)的復(fù)合化而構(gòu)成金屬基復(fù)合材料之后,不僅使其具有更高、更好的機(jī)械性能,而且具有更加優(yōu)異的功能性能。正是由于金屬基復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性,因而可以最大限度地發(fā)揮材料的綜合性能優(yōu)勢(shì):①能夠?qū)崿F(xiàn)性能優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)或獨(dú)特組合;②可以使其性能在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化;③可以復(fù)合出原材料本身所不具備的性能。由于金屬基復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)功能一體化和材料的可設(shè)計(jì)性突出優(yōu)點(diǎn):高比模量、比強(qiáng)度、抗蠕變、尺寸穩(wěn)定性高和耐磨性好等一系列優(yōu)異性能;且兼具阻尼、耐熱性、導(dǎo)熱優(yōu)良和熱膨脹系數(shù)低、高中子吸收等優(yōu)異功能性;因此金屬基復(fù)合材料成為高科技及環(huán)境、核能源、電子通訊、交通運(yùn)輸、國(guó)防建設(shè)及航天航空的重要材料,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)中具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。

金屬基復(fù)合材料根據(jù)引入顆粒的復(fù)合化方式不同可分為兩類:一類是直接引入外加顆粒作為強(qiáng)化相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(Ex-Situ MMCs),另一類是反應(yīng)自生強(qiáng)化相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 (In-Situ MMCs),即強(qiáng)化相是在復(fù)合材料制備過(guò)程中通過(guò)兩種或多種元素或化合物在基體中反應(yīng)自生的。兩種復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn):外加復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)具有高的可設(shè)計(jì)性,并且增強(qiáng)相形狀和尺寸易控等優(yōu)點(diǎn),但是存在增強(qiáng)相潤(rùn)濕性差而難加入,以及增強(qiáng)相與基體發(fā)生界面反應(yīng)等缺點(diǎn)。對(duì)于反應(yīng)自生強(qiáng)化技術(shù),由于增強(qiáng)相是從基體中反應(yīng)自生成的,所以具有增強(qiáng)相熱力學(xué)穩(wěn)定性高、增強(qiáng)相與基體界面潔凈以及增強(qiáng)相與基體界面結(jié)合好等優(yōu)點(diǎn),但是這種復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)存在有效反應(yīng)體系少、增強(qiáng)相尺寸和形狀控制困難等缺點(diǎn)[3-4]。為了進(jìn)一步擴(kuò)大金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域,必須克服金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)中存在的這些問(wèn)題。為此,人們針對(duì)金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程的科學(xué)問(wèn)題開展了大量的研究,大多數(shù)研究主要是試驗(yàn)型的,以“試錯(cuò)法”(Trial and ErrorMethod)為主,這是一種預(yù)見性不強(qiáng)的方法,不僅曲折迂回,而且費(fèi)工費(fèi)時(shí)。隨著材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越注重以材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)為指導(dǎo),來(lái)研究金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程存在的科學(xué)與工程問(wèn)題。運(yùn)用多組、多相復(fù)雜體系熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究方法進(jìn)行材料學(xué)研究可以減少或避免許多實(shí)驗(yàn)工作的盲目性,優(yōu)化解決存在問(wèn)題的途徑,顯著地減少材料研究開發(fā)的人力和物力[5]。

本文首先介紹材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,然后介紹材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)在解決金屬基復(fù)合材料制備科學(xué)若干領(lǐng)域的應(yīng)用,最后對(duì)多元、多相金屬基復(fù)合材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型

金屬熔體的熱力學(xué)性質(zhì)歷來(lái)是材料科學(xué)、冶金化學(xué)和流體物理學(xué)等領(lǐng)域工作者關(guān)注的冶金熱力學(xué)的核心課題之一。熔體組元的活度是金屬熔體的主要熱力學(xué)性質(zhì)之一,目前已建立一些理論模型用來(lái)計(jì)算組元的活度,例如:Lupis的相互作用系數(shù)模型[6]、W ilson方程[7]和二次方程。但是,Lupis模型中的部分參數(shù)需要準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬和,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果誤差較大;W ilson方程所需的參數(shù)需要大量可靠的二元體系中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和;二次方程參數(shù)太多,計(jì)算量大,而且也需要大量可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于復(fù)雜的液態(tài)合金系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是非常有限的,為了獲得準(zhǔn)確的熱力學(xué)數(shù)據(jù)而進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量也非常耗時(shí)和昂貴。范同祥等[8-9]根據(jù)擴(kuò)展的 Miedema模型[10],并結(jié)合 W ilson方程[7]提出了一種新的計(jì)算多元合金熔體中組元活度的方法。這種方法僅僅依靠合金元素的物理參數(shù)即可獲得多元合金熔體中組元的活度。該方法的可靠性已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證。

液態(tài)金屬擴(kuò)散的研究是材料動(dòng)力學(xué)研究的重要內(nèi)容,在材料科學(xué)、冶金化學(xué)和流體物理學(xué)等諸多領(lǐng)域具有重要的意義。掌握液態(tài)金屬的擴(kuò)散系數(shù)有助于人們了解液態(tài)金屬的原子結(jié)構(gòu)和液態(tài)原子遷移的物理性質(zhì)。幾十年來(lái),液態(tài)擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量方法一直是人們的研究熱點(diǎn),但是由于合金系眾多和實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜與困難,只測(cè)定了少數(shù)液態(tài)合金系的擴(kuò)散系數(shù)[11-13]。

合金的互擴(kuò)散系數(shù)取決于組元的自擴(kuò)散系數(shù)和熱力學(xué)因子,其中熱力學(xué)因子可以通過(guò)多元合金熔體中組元活度計(jì)算得到。對(duì)于組元的自擴(kuò)散系數(shù),目前計(jì)算其值的理論模型主要有硬球理論[14]、Sutherland-Einstein方程[15]、Stokes-Einstein方程[15]及其經(jīng)驗(yàn)性的擴(kuò)展。其中Sutherland-Einstein方程、Stokes-Einstein方程和金屬的粘度有關(guān),但是金屬及其合金的粘度數(shù)據(jù)非常欠缺,因此限制了其應(yīng)用范圍[16],而且 Stokes-Einstein方程及其經(jīng)驗(yàn)性的擴(kuò)展只局限于無(wú)限稀溶液。更重要的一點(diǎn)是,對(duì)Sutherland-Einstein方程和 Stokes-Einstein方程的研究?jī)H僅集中在純液態(tài)金屬的自擴(kuò)散系數(shù)以及無(wú)限稀釋溶液方面。另外,分子動(dòng)力學(xué)模擬也是分析液態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的一種非常有用的技術(shù),但是分子動(dòng)力學(xué)模擬的一些參數(shù)需要建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,因此具有一定的局限性。其他的方法還包括:波動(dòng)模型、自由體模型、活化速率(Activation Rate)模型等,這些方法在特定的合金元素或者限制條件下取得了一定程度的成功,但是缺乏普適性。而硬球理論在二元液態(tài)合金中的應(yīng)用已經(jīng)得到了很好的論證[14]。Schwitzgebel[17]等修正了硬球理論來(lái)計(jì)算液態(tài)合金中的自擴(kuò)散系數(shù)并在后來(lái)的工作中考慮了熱力學(xué)因子,計(jì)算了鋰合金的互擴(kuò)散系數(shù),不僅如此,該模型在整個(gè)合金濃度范圍內(nèi)得到了很好的驗(yàn)證,而且僅僅依靠合金的密度和熔點(diǎn)就可以成功預(yù)測(cè)合金的擴(kuò)散系數(shù)。

范同祥等[18]基于硬球理論求得自擴(kuò)散系數(shù),以及通過(guò)多元合金組元活度計(jì)算模型求得熱力學(xué)因子,并結(jié)合 Kirkaldy[19]提出的三元合金溶液中互擴(kuò)散系數(shù)與本征擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系,建立了計(jì)算三元合金體系組元互擴(kuò)散系數(shù)的理論模型,但此模型只適用于預(yù)測(cè)三元合金體系,不能預(yù)測(cè)多元合金體系的擴(kuò)散系數(shù)。他們進(jìn)行了更一步的研究,根據(jù)Morral[20]提出的多元合金體系組元互擴(kuò)散系數(shù)與本征擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系,對(duì)上述理論模型進(jìn)行改進(jìn),提出了適用于計(jì)算多元合金體系互擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算的理論模型[21]。

多元多相金屬基復(fù)合材料中熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用

. 增強(qiáng)相與基體之間的界面反應(yīng)控制

當(dāng)金屬基復(fù)合材料采用液相法制備時(shí),把增強(qiáng)相加入金屬合金熔體中,由于在增強(qiáng)相和金屬的界面上存在化學(xué)勢(shì)的梯度,從而提供化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力,造成增強(qiáng)相與基體之間發(fā)生界面反應(yīng),對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能是極其有害的。為此,要設(shè)法抑制界面反應(yīng)的發(fā)生。

Handwerker等[22]采用材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理,研究了界面形態(tài)變化的預(yù)測(cè)和控制,并用此理論研究了SiC/Al體系的界面反應(yīng)以及 (Al2O3+Cr2O3)/Cr復(fù)合材料相形成和界面結(jié)構(gòu)的控制。

范同祥等[8,23]基于已建立的多元合金熔體中組元的活度計(jì)算模型,預(yù)測(cè)了不同合金元素在不同溫度和不同成分濃度下對(duì)Al-Si合金高溫熔體中 Al和 Si活度系數(shù)的影響,推導(dǎo)出合金元素添加對(duì) SiC顆粒與熔融 Al之間界面反應(yīng)的穩(wěn)定性的影響。研究得到:合金元素如 Sr,Zn,Mg,Ca,V和 Cr等能促進(jìn) SiCp/Al熔體 SiC與 Al之間的界面反應(yīng),其中以Mg的影響最大。而合金元素如Cu,Sn,Sc,Co,Nb,Ti,Mn,Ni,Fe,Ge,La,Si等能在一定程度上抑制該界面反應(yīng),其中 La和 Si的添加對(duì)界面反應(yīng)的抑制效果最為顯著。同時(shí),他們通過(guò)SiCp/Al-4.5%Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以下同),SiCp/Al-2%Cu,SiCp/Al-1%Mg和 SiCp/Al-4%Mg復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,其試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)的結(jié)果相一致。因此,可基于材料熱力學(xué)指導(dǎo)選擇有效的合金元素對(duì)增強(qiáng)相與基體之間界面反應(yīng)進(jìn)行有效控制。

Sreekumar等[24]采用范同祥小組基于擴(kuò)展的Miedema模型和W ilson方程提出的組元活度計(jì)算模型研究了 Al/SiO2體系中 Al2O3/MgAl2O4和 MgAl2O4/MgO相平衡與溫度和Mg含量之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明MgO和MgAl2O4相之間的轉(zhuǎn)變經(jīng)歷一系列過(guò)渡相,不同的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù) (如保溫溫度,合金中Mg含量,保溫時(shí)間以及 SiO2顆粒尺寸)將影響它們之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程,因此,可通過(guò)理論預(yù)測(cè),選擇合適的參數(shù),達(dá)到控制界面反應(yīng)產(chǎn)物的目的。

. 反應(yīng)自生增強(qiáng)相的選擇

大多數(shù)反應(yīng)自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 (In-Situ MMCs)的復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)均是以熔體為母相或者涉及熔體,如復(fù)合材料制備工藝中的熔體反應(yīng)工藝 (包括熔鹽法)、PR IMEX-In Situ工藝 、XDTM工藝、接觸反應(yīng)工藝、反應(yīng)氣體注射法、擠壓鑄造、真空壓力浸漬、攪拌鑄造、復(fù)合鑄造以及粉末冶金的液相燒結(jié)等,其復(fù)合工藝的實(shí)質(zhì)均是在液相金屬熔體內(nèi)部通過(guò)元素之間的化學(xué)反應(yīng)自生成預(yù)期反應(yīng)相作為增強(qiáng)相。參與增強(qiáng)相自生成反應(yīng)的元素必然會(huì)受到復(fù)雜體系中其他組元種類和含量通過(guò)對(duì)其活度、組元與組元之間相互作用系數(shù)的影響從而影響其增強(qiáng)相的最終形成進(jìn)程?？赡艹霈F(xiàn)諸如下情況:增強(qiáng)相實(shí)際生成的溫度與計(jì)算預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)的溫度不一致;純基體中能夠發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)卻在多組元、多組分金屬熔體體系中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);純基體中不能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)卻在多組分的金屬熔體中發(fā)生化學(xué)反應(yīng);設(shè)計(jì)出現(xiàn)高性能的增強(qiáng)相 A,卻出現(xiàn)了低性能的有害相B;甚至在整個(gè)原位自生復(fù)合制備過(guò)程中根本沒有出現(xiàn)預(yù)期的增強(qiáng)相等。而理想的金屬基體和增強(qiáng)相的設(shè)計(jì)應(yīng)該使生成增強(qiáng)相反應(yīng)的吉布斯自由能變化是較大負(fù)值,并使有害相生成的吉布斯自由能變化是較小的負(fù)值,且最好是正值,因此,要根據(jù)熱力學(xué)原理,首先從基體成分和增強(qiáng)相設(shè)計(jì)理論上解決有益增強(qiáng)相可能形成、有害相不可能形成的問(wèn)題,并進(jìn)一步根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理,設(shè)計(jì)促進(jìn)有益增強(qiáng)相生長(zhǎng)并同時(shí)抑制有害增強(qiáng)相的生長(zhǎng)。

范同祥等[8]采用多元合金熔體中組元活度的計(jì)算模型計(jì)算并預(yù)測(cè)了合金元素添加對(duì)反應(yīng)自生 TiB2/Al基復(fù)合材料在制備過(guò)程中的析出相 Al3Ti,AlB2和 TiB2的熱力學(xué)影響。通過(guò)對(duì)熔體中組分活度的計(jì)算可以推出不同的合金元素添加對(duì)Al3Ti,AlB2和 TiB2的過(guò)剩形成自由能有不同的影響。結(jié)果表明在熔體中分別添加Mg,Cu,Zr,Ni,Fe,V和 La可以促進(jìn) Al3Ti和 TiB2的析出。其中以合金元素 Zr的影響最大。而 Si的添加可以在一定程度上不利于 Al3Ti相的形成,而對(duì) TiB2的析出沒什么太大的影響。盡管影響程度不大,但所有的這些合金元素添加都可以阻礙A lB2的形成。

范同祥等[18,25]進(jìn)一步采用三元液態(tài)合金擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型,研究了原位自生 T iB2/Al復(fù)合材料在制備過(guò)程中 Ti原子和 B原子的擴(kuò)散系數(shù),并預(yù)測(cè)了合金元素的添加對(duì) Ti原子和B原子擴(kuò)散系數(shù)的影響。結(jié)果表明,合金元素如 Cu,Fe,Mg,V,Ni,La和 Zr抑制 Ti的擴(kuò)散,其中 Zr的影響最大,而合金元素 Si則促進(jìn)了 Ti的擴(kuò)散;合金元素Mg,Si和 Cu的添加促進(jìn)了B原子的擴(kuò)散,而合金元素 Fe,V,Ni,La和 Zr抑制了 B的擴(kuò)散,其中Mg的影響最大。結(jié)合 TiB2/Al復(fù)合材料的熱力學(xué),可以得出以下結(jié)論:①Si的作用最為特殊,從熱力學(xué)上看,Si對(duì) T iB2的形成幾乎沒有影響;但從動(dòng)力學(xué)上來(lái)看,Si對(duì)促進(jìn) Ti和 B的擴(kuò)散的影響較大。②適量的熱力學(xué)促進(jìn)元素和適量的動(dòng)力學(xué)元素匹配才能形成有效增強(qiáng)相 TiB2,即不但要考慮相圖而且要考慮動(dòng)力學(xué)因素才能形成有效增強(qiáng)相 TiB2?；跓崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)研究,可添加有效的合金元素促進(jìn)預(yù)期增強(qiáng)相的形成,同時(shí)抑制有害增強(qiáng)相的形成,達(dá)到選擇有效增強(qiáng)相的目的。

Parashivamurthy等[26]基于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本原理,分析了鐵基復(fù)合材料中 TiC增強(qiáng)相沉淀析出的可能性,為通過(guò)選擇合適的工藝參數(shù)來(lái)制備 TiC增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料提供了理論指導(dǎo)。

. 反應(yīng)自生增強(qiáng)相尺寸調(diào)控

反應(yīng)自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 (In-Situ MMCs)中自生增強(qiáng)相的形成機(jī)制有:形核 -長(zhǎng)大 (Nucleation-Growth)方式[27],體界面反應(yīng) (Bulk Interface Reaction)方式[28]等。對(duì)于形核 -長(zhǎng)大型反應(yīng)自生增強(qiáng)相的形核和長(zhǎng)大必然會(huì)受到多元多相復(fù)雜體系中其它組元種類和含量的影響,從而影響最終形成的反應(yīng)自生增強(qiáng)相尺寸,達(dá)到對(duì)反應(yīng)自生有效增強(qiáng)相的調(diào)控。

范同祥等[21]采用建立的多元合金熔體中組元活度的計(jì)算模型和組元擴(kuò)散系數(shù)的模型研究了合金元素添加對(duì)(AlN+Mg2Si)/Mg復(fù)合材料中 Mg2Si增強(qiáng)相形成Gibbs自由能以及多元、多相復(fù)雜熔體中組元 Si擴(kuò)散系數(shù)的影響,從而預(yù)測(cè)合金元素添加對(duì)反應(yīng)自生Mg2Si增強(qiáng)相形核和長(zhǎng)大的影響。研究結(jié)果表明:Ti,V,Mo,Cr,Fe和Mn合金元素的添加在阻礙Mg2Si顆粒的形核同時(shí)促進(jìn)Mg2Si顆粒的生長(zhǎng),其影響程度依次降低;Ge,Sn,Cu和 Zn合金元素的添加在能促進(jìn)Mg2Si顆粒的形核同時(shí)阻礙Mg2Si顆粒的生長(zhǎng),其影響作用依次減弱。還通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了添加合金元素 Ti對(duì)反應(yīng)自生Mg2Si增強(qiáng)相的影響,研究結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

. 金屬基復(fù)合材料體系設(shè)計(jì)

反應(yīng)自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在反應(yīng)體系有限的缺點(diǎn),開發(fā)新的反應(yīng)自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顯得尤為重要。為了開發(fā)新的金屬基復(fù)合材料,首先要研究反應(yīng)添加物以及反應(yīng)自生形成相與液態(tài)基體合金熔體之間的潤(rùn)濕性。因?yàn)榉磻?yīng)添加物與液態(tài)基體合金熔體之間的潤(rùn)濕性決定反應(yīng)添加物加入的難易以及在液態(tài)基體合金熔體中的分布均勻性;反應(yīng)自生形成相與液態(tài)基體合金熔體之間的潤(rùn)濕性決定所形成相在復(fù)合材料基體中的分布均勻性以及與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度,對(duì)反應(yīng)自生形成相成為基體中的強(qiáng)化相還是夾雜物有重要影響。李建國(guó)等[29]提出一個(gè)簡(jiǎn)單的熱力學(xué)模型,可用于預(yù)測(cè)合金熔體中固相陶瓷與二元合金溶液中組元濃度的變化趨勢(shì),但是此模型不能定量計(jì)算。范同祥等[30]根據(jù)熱力學(xué)基本原理,從單元素自身的物理特性參數(shù)出發(fā),綜合考慮純組元液相與固相陶瓷之間的粘著功以及二元合金熔體中各組元之間的相互作用,建立了固相陶瓷與二元液態(tài)合金熔體之間粘著功的理論計(jì)算模型。利用此模型可預(yù)測(cè)不同陶瓷增強(qiáng)相與金屬合金熔體之間的潤(rùn)濕性,為金屬基復(fù)合材料體系設(shè)計(jì)提供了一定的理論指導(dǎo)。

. 復(fù)合制備工藝優(yōu)化

孫祖慶等[31]在反應(yīng)自由能計(jì)算、DTA和 X射線衍射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本原理,系統(tǒng)分析了原位合成MoSi2-SiC復(fù)合材料過(guò)程中相形成的基本規(guī)律,獲得對(duì)合成工藝的溫度、加熱速度及時(shí)間具有指導(dǎo)性的結(jié)果。

郝斌等[32]對(duì)攪拌鑄造制備金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)相粒子進(jìn)入金屬溶液的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了推導(dǎo),得出了粒子進(jìn)入金屬溶液中外力做功與潤(rùn)濕角、粒子密度、熔體密度、粒徑和表面張力的關(guān)系式,為采用攪拌鑄造法制備金屬基復(fù)合材料時(shí)制訂工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。

李昊等[33]也對(duì)攪拌鑄造金屬基復(fù)合材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了討論,他以球形粒子為研究對(duì)象,在熱力學(xué)方面,從動(dòng)能變化、熱能變化、表面能變化和勢(shì)能變化考慮,指出顆粒進(jìn)入熔體的充分而必要條件是兩者必須潤(rùn)濕;在動(dòng)力學(xué)方面,從伯努利方程出發(fā),推導(dǎo)出顆粒進(jìn)入熔體的動(dòng)力在于渦流表面徑向的壓力降,最終建立了攪拌工藝制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,指導(dǎo)了復(fù)合制備工藝的制定和優(yōu)化。

總結(jié)與展望

簡(jiǎn)要介紹了根據(jù)材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)在研究復(fù)合材料界面反應(yīng)控制,反應(yīng)自生增強(qiáng)相種類選擇,反應(yīng)自生增強(qiáng)相尺寸調(diào)控,金屬基復(fù)合材料體系設(shè)計(jì)以及復(fù)合制備工藝優(yōu)化等方面的應(yīng)用。基于組元元素的物性參數(shù)為金屬基復(fù)合材料的研究提供了理論性指導(dǎo)。由于金屬熔體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,從而導(dǎo)致其熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性和不同體系的特殊性,熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用具有一定的針對(duì)性和局限性,仍需提出和完善特定條件和環(huán)境下熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型;另一方面,把熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)與第一原理計(jì)算相結(jié)合,可從原子尺度進(jìn)行計(jì)算,可進(jìn)一步擴(kuò)大熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型在復(fù)合材料研究中更加深層次的應(yīng)用范圍。

[1]Suresh S,Mortensen A,Needleman A.Fundamentals of Metal Matrix Composites[M]. Boston (MA):Butterworth-Heinemann,1993.

[2]Miracle D B.MetalMatrix Composites-From Science to Technological Significance[J].Composites Science andTechnology,2005,65:2 526-2 540.

[3]Tjong S C,Ma Z Y.Microstructural and Mechnical Characteristics of in SituMetalMatrix Composites[J].M aterials Science and Engineering R,2000,29(3-4):49-113.

[4]Ouyang liuzhang(歐陽(yáng)柳章),Luo chengping(羅承萍),Sui Xiangdong(隋賢棟),etal.原位合成金屬基復(fù)合材料[J].China Foundry Eouipment and Technology(中國(guó)鑄造設(shè)備與技術(shù)),2002(2):6-8.

[5]Du Yong(杜勇 ),Huang Boyun(黃伯云 ),Xu Honghui(徐洪輝),etal.多組元Al基體系熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用[J].Journal of Central South University(中南大學(xué)學(xué)報(bào)),2004,35(5):697-701.

[6]Lupis C H P,Elliott J F. Generalized Interaction Coefficients:Part I:Definitions[J].Acta M etallurgica,1966,14(4):529-538.

[7]W ilson G M.Vapor-Liquid Equilibrium XI.A New Expression for the Excess Free Energy of Mixing[J].J Amer Chem Soc,1964,86:127-130.

[8]Fan T X,Yang G,ZhangD.Prediction of Chemical Stability in SiCp/Al Compositeswith Alloying Element Addition UsingW ilson Equation and an Extended Miedema Model[J].M aterials Science and Engineering A,2005,394:327-338.

[9]Fan T X,Yang G,Zhang D.Thermodynamic Effect of Alloying Addition on In-Situ Reinforced TiB2/AlComposites[J].M etallurgical and M aterials Transactions A,2005,36:225-234.

[10]Miedema A R,Chatel P F de,Boer F R de.Cohesion inAlloys em Dash Fundamental of a Semi-EmpiricalModel[J].Physica B,1980,100B:1-28.

[11]Yang Xiaoning(楊 曉 寧),Ma Peisheng(馬 沛 生 ),Chen Hongfang(陳洪鈁).新的液相擴(kuò)散系數(shù)模型[J].Journal of Chem ical Industry and Engineering(化工學(xué)報(bào)),1994,45(5):580-588.

[12]Tyrrell H J V.D iffusion and Heat Flow in L iquids[M].London:Butterworths,1961.

[13]ShimojiM.Liquid Metal[M].London:Academic Press,1977.

[14]Schwitgebel G,Langen G.Application of the Hard Sphere Theory to the Diffusion of Binary Liquid Alloy Systems[J].Z Naturforsch,1981,36a:1 225-1 232.

[15]Poirier D,Geiger G H.Transport Phenomena in M aterials Processing[R].Warrendale PA:TheMinerals,Metals andMaterials Society,1994.

[16]Cherne F J,Deymier P A.Calculation of the Transport Properties of Liquid Aluminium with Equilibrium and Non-Equilibrium Molecular Dynamics[J].Scripta M aterialia,2001,45:985-991.

[17]Schwitgebel G,BeckerW,Langen G.Chemical Diffusion Coefficients in Liquid(Li,Pb), (Li,Ag), (Li,Cd)Alloys[J].Z M etallkde,1983,74:430-433.

[18]Chen J Q,Fan T X,Zhang D. Ternary Diffusion Coefficients-Theoretical Treatment and Application to the In-Situ-Reinforced TiB2/AlComposite[J].M etallurgical andM aterials Transactions A,2006,37:2 275-2 281.

[19]Kirkaldy J S,YoungD J.D iffusion in the Condensed State[M].London:Institute ofMetals,1987:161-165.

[20]Morral J E.Calculation of D iffusion Coefficient forM ulticomponentAlloys. In:Qiao Z Y,Xu Z H,Liu H L,editors.Computerized Physical Chem istry of M etallurgy and M aterials[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,1999.

[21]Zhang C F,Fan T X,Cao W,etal. Size Control of in-Situ Formed Reinforcement in MetalMelts-Theoretical Treatment and Application to in-Situ(AlN+Mg2Si)/Mg Composites[J].Composites Science and Technology,(DO I:10. 1016/j. compscitech.2009.08.011).

[22]Handwerker C A,Cahn J W,Manning J R.Thermodynamics and Kinetics of Reactions at Interfaces in Composites[J].M aterials Science and Engineering A,1990,126:173-189.

[23]Yang Guang(楊光).Study on Interaction between Reinforced Al M atrix Composites and High-TemperatureM elt(鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)體與高溫熔體之間的相互作用研究)[D]. Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2004.

[24]SreekumarV M,Ravi K P,Pillai R M,etal.Ther modynamics and Kineticsof the For mation ofAl2O3/MgAl2O4/MgO in Al-Silica Metal Matrix Composite[J].M etallurgical and M aterials Transactions A,2008,39:919-933.

[25]Chen Jianqi(陳建奇).Study on D iffusion Kinetics and Reaction Ther modynam ics of In-Situ M etalM atrix Composites(原位金屬基復(fù)合材料擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)熱力學(xué)的研究)[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2006.

[26]Parashivamurthy K I,Chandrasekharaiah M N,Sampathkumaran P,etal.Casting of TiC-Reinforcede SteelMatrix Composite[J].M aterials and M anufacturing Processes,2006,21:473-478.

[27]Wang Huiyuan(王慧遠(yuǎn)).Preperation of In-Situ Particle ReinforcedM agnesium M atrix Composites(原位顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備)[D].Changchun:Jilin University,2004.

[28]Hou Q H,Mutharasan R,KoczakM.Feasibility of Aluminium Nitride Formation in Aluminum Alloys[J].M aterials Science and Engineering A,1995,195,121-129.

[29]Li J G,CoudurierL,EustathopoulosN.Work ofAdhesion and Contact-Angle Isother m of Binary Alloys on I onocovalent Oxides[J].Journal ofM aterials Science,1989,24:1 109-1 116.

[30]Zhang C F,Fan T X,CaoW,etal.A Model forWork of Solid-Liquid Adhesion inMulticomponentMelts[J].Acta M aterialia,2009,57:3 623-3 632.

[31]Zhang Laiqi(張來(lái)啟 ),Sun Zuqing(孫祖慶 ),Zhang Yue(張躍),etal.MoSi2-SiC復(fù)合材料原位合成熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[J].ActaM etallurgica sinica(金屬學(xué)報(bào)),1998,34(11):1 205-1 209.

[32]Hao Bin(郝斌 ),Cui Hua(崔華 ),Cai Yuanhua(蔡 元華 ),etal.攪拌鑄造法制備金屬基復(fù)合材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制[J].RareM etals Letters(稀有金屬快報(bào)),2005,24(6):22-25.

[33]Li Hao(李昊 ),Gui Manchang(桂滿昌 ),Zhou Bide(周彼德).攪拌鑄造金屬基復(fù)合材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制[J].Chinese Space Science and Technology(中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)),1997,(1):9-16.

The Progress in the Research of Thermodynam ics and Kinetics in M etalMatrix Composites

FAN Tongxiang,ZHANG Congfa,ZHANG Di
(Shanghai Jiao Tong University State KeyLaboratory ofMetalMatrix Composites,Shanghai 200240,China)

In this paper the models of ther modynamics and kinetics are introduced.Then,the applications of the models of ther modynamics and kinetics to control interface between reinforcements and matrix,select the kinds of in-situ formed reinforcements,control the size of in-situ formed reinforcements,design composites systems and optimize the synthesizing process,etc are introduced.Finally,the summary and outlooks to the research of thermodynamics and kinetics in metalmatrix composites are carried out.

metalmatrix composites;thermodynamics;kinetics;models

TB331

A

1674-3962(2010)04-0023-05

2009-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50671064)

范同祥,男,1971年生,博士,教授