亚微米Al_2O_3颗粒的微观结构及Al_2O_(3p)1070Al复合
亚微米Al23颗粒的微观结构及Ab3p070Al复合材料的界面13姜龙涛武高辉孙东立张强河野纪雄2（1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001；2.日本千叶工业大学金属工学科）利用透射电镜和高分辨电镜对直径为015Pm的球形AL2O3颗粒增强相及其增强1070AL复合材料的界面进行了观察，结果表明：AL2O3颗粒是由一些角度相差较小的晶面构成的多面体，多面体的各晶面是由密排面沿着密排晶向形成的台阶式结构；0. 15m的AL：23/1070AL复合材料界面结合良好，没有发现任何界面反应物；由于颗粒的台阶式结构导致铝基体与AL2O3颗粒存在一定的位相关系。
界面；AL2O3/AL金属基复合材料；AL2O3目前，金属基复合材料所用的颗粒增强体的尺寸大都为微米级，这些颗粒通常是采用机械粉碎的方式制备的，常常带有尖角。本为Al23颗粒的显微组织照片。可以看出该种Al23颗粒的尺寸较为均匀，约0.08~0.3Mm，形状为近球形或哑铃形，颗粒边缘处过渡圆滑。这种形貌与机械粉碎制备的微米级颗粒的平直表面和明显的尖角形状显著不同。
为AI2O3的晶向平行于入射电子束方向的高分辨像，该颗粒的电子衍射花样如（c）所示。观察表明，在颗粒的中心部位的点阵排列整齐，而在颗粒的边缘处排列错乱，这与边缘处的厚度变化不满足晶体衍射条件有关，也与颗粒的边缘处缺陷较多且不连续有关。这一结果可以看出在颗粒表面存在大量晶体缺陷，为颗粒带来较大的表面活性，这种活性有利于基体合金与颗粒的复合。
所示是亚微米复合材料中一个Al2O3颗粒的显微组织照片。其中（a）所示为其形貌像，其长轴约为0. 17短轴约为0.1Mm.颗粒的晶格像十分完整（颗粒边缘处的缺口为成分测试时电子束入射所致）标定为沿着AI2O3颗粒的晶向的衍射。虽然Al23颗粒在低倍下为近球形，但在高分辨电镜下观察可以看到其边缘是由一些短线构成的，每一个短线为一个晶面，对各个晶面的标注如（a）所示，这些晶面的角度差在15.~3仃之间，每个晶面的宽度大约是在30~80个原子面间距。
从A12O3颗粒形成的过程上分析，颗粒的外表面总是倾向于具有最小的表面能，晶体中各个晶面原子排列的密度不同造成了晶体表面能具有各向异性的特点。因此，晶体为了达到能量最低的平衡形貌，其表面由低指数的密排面构成的趋势较大；另夕卜，在相同体积下，球形是所有形状中表面积最小的形状，因此，形成球形是晶体在生长过程中的趋势。这就造成了实际晶体的表面往往不与密排面重合，而是由呈一定角度的晶面组成的情况，此时为了降低总表面能，在表面上有形成台阶式结构的倾向。（b）所示为（a）局部的高分辨照片，在（c）中示意地画出了由（1100）和（1121）两个晶面构成台阶状结构形成的（2021）晶面，虽然对于六方结构的晶体，（100）晶面并不是原子密度最大的密排面，但它却是仅次于（0001）的密排面，由它和（1121）晶面构成的一系列小台阶状结构有利于表面能量降低。
表面的形成位置可以从能量角度来确定。一般地，根据能量最低原则，首先结晶的原子列应该是原子2.2亚微米级Al23p/1070Al复合材料的界面大量透射电镜观察表明，体积分数为30%的0.15Mm的Al23p/Al复合材料中颗粒在基体中的分布很均匀，且由于颗粒细小弥散，体积分数较高，复合材料中颗粒间距很小，大约为80 ~150nm，颗粒与铝基体之间的结合状况良好，如所示。
体的〈110〉晶向和Al23颗粒的〈1126〉晶向的HREM相，可以看到较好的界面结合。通常，金属基复合材料的界面上，除了弥散分布的界面相之体和基体合金直接结合的界面，实验中Al23p/1070Al复合材料即为这种直接结合界面。从（b）电子衍射花样的标定可知，在亚微米复合材料的增强体和基体中存在下述位向关系：由于Al的220晶面间距为0. 1100晶面间距为0.4121nm，前者的3倍面间距与后者的错配仅为4%，从晶体学结构来看这是一种非常有利的晶体学位向关系。
对Al23颗粒的微观结构的观察与分析表明，颗粒的表面是一个多面体而每一个晶面上几乎都可以看成是由较为密排的晶面拼成的台阶状的结构形成的，这种台阶式结构为铝液的形核创造了极为有利的能量条件。在金属-陶瓷构成的系统中，存在大量的金属/陶瓷界面，通常，为使界面能最小，金属和陶瓷的低能密排面和密排方向在界面两侧互相结合。而在压铸法制备Al23p/Al复合材料过程中，由于颗粒十分细小，且体积分数较高，使得颗粒之间的间距狭窄，不利于铝液独立形核；又由于亚微米颗粒表面活性较大，易于成为异质形核的核心，因此如果液态铝在Al23颗粒表面，非匀质形核将大大降低形核功。
按晶体生长理论来推断液态铝在Al23颗粒表面形核时首先形成一条铝原子列，该原子列在颗粒亚微米级AI2O3/AI复合材料的界面HREM相密排方向形成的台阶构成的c颗粒内部的满格点阵lishing蝣瘦密排晶向，首先形成的面应该是原子密排晶面。Al2O3是六方结构，点阵常数为a=0.475 2991nm；铝是面心立方结构，点阵常数为a=0.404nm，两者在a轴的点阵常数相差不大。对于铝而言，原子比较密排的晶面有111，100和110.由此，中界面形成的过程遵循以下规律：首先铝以氧化铝为基底形成一个原子列，从上述分析可知，所观察到的AhO3界面是以（1100）和（121）晶面构成的台阶，这两组晶面中（――21）晶面能量相对较高，高能量的外表面更易吸附外来原子，以使其表面能降低，所以铝原子优先在（H21）上堆积。因此，该界面的形成过程为：铝原子以Al2O3的（1121）晶面为基底，首先沿着与Al2O3的晶向平行的晶向形成一个原子列，接着平行于AhO3的（――21）晶面形成（001）晶面。铝液在Al2O3表面形核、长大是亚微米级Al2O3颗粒增强铝基复合材料出现位向关系的主要原因。
3结论1）粒径在0.08 ~0.3Mm之间近球形的Al2O3颗粒表面是由一些小角度差的晶面拼成的多面体，多面体的各个小晶面可以近似看作是由密排面沿着完整。
15Mm的AhO3p/1070Al复合材料的界面结合良好，为直接结合型；0.15Mm的Al2O3p与铝的界面存在的位相关系为：秦蜀懿，张国定。改善颗粒增强金属基复合材料塑性和韧性的途径与机制。中国有色金属学报，200010（5）621-629. 10赵永春，武高辉。亚微米级Al23/6061Al复合材料的断裂行为。复合材料学报，1998 11武高辉。亚微米颗粒与铝合金的复合工艺P.CN（编辑龙怀中）
