镁基复合材料的研究进展

总第２０６期　南方金属　Ｓｕｍ．２０６　２０１５年１０月　Ｓ０ＵＴＨＥＲＮ　ＭＥＴＡＬＳ　Ｏｃｔｏｂｅｒ　２０１５　文章编号：１００９—９７００（２０１５）０５—０００１—０４　镁基复合材料的研究进展　朱宏喜，张　清，陈　君　（河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳４７１０２３）　摘要：镁基复合材料以其质轻、优异的力学性能、优良的抗电磁屏蔽性能、易于回收等众多优点已成为工业产业　轻量化的材料．文章综述了镁基复合材料的基体与增强体，制备方法．最后简要概述了镁基复合材料未来的发展方　向．　关键词：镁基复合材料；基体；增强体；制备方法　中图分类号：ＴＧ　１４６．２　２　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ＺＨＵ　Ｈｏｎｇ—ｘｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｑｉｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｊｕｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ，４７１０２３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ａｎｔｉ—ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ－　ｎｅｔｉｅ　ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｅａｓｙ　ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａｎｙ　ｏｔｈｅｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｈａｖｅ　ｂｅｃｏｍｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ｔｈｅ　ｍａｔｉｒｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｍａｇｎｅ－　ｓｉｕｍ　ｍａｔｉｒｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｍａｔｉｒｘ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　镁及镁合金具有密度低、比强度与比刚度高、抗　人Ａｌ，ｚｎ，Ｒｅ等元素合金化后才能用作基体．常用　冲击、阻尼性能好等优点　１１．但是作为结构材料其　的基体合金主要有ＡＭ系，ＡＺ系与ＡＥ系．此外还　刚度、硬度及耐磨性不够理想，因此应用受到很大限　有处于较高温度下使用的两个合金系Ｍｇ—Ａｇ和　制．通过添加在基体中的颗粒、纳米碳管或某些纤维　Ｍｇ—Ｙ．不同的基体对复合材料的抗拉强度，屈服强　（碳纤维，氧化铝纤维等）来制造镁基复合材料，可　度与结合强度等有较大的影响．并不是所有的基体　以显著提高抗拉强度、屈服强度、抗蠕变性能、耐热　强度越高，复合材料的强度就越高．　性能、耐蚀性能等　Ｊ．镁基复合材料是当今高新技　１．２增强体　术领域内最有希望采用的复合材料之一，在航空航　增强体的选择与镁基复合材料大体相同，要求　天、军工产品制造、汽车以及电子封装等领域中具有　物理、化学相容性好，润湿性良好，载荷承载能力强，　巨大的应用前景　Ｊ．　尽量避免增强体与基体合金之间的界面过度反应　１　镁基复合材料的基体与增强体　等，增强体一般有颗粒增强体、纤维增强体及晶须增　强体　．　１．１基体　颗粒增强体一般采用陶瓷颗粒（如Ａ１　０　、ＳｉＣ、　根据镁基复合材料使用要求来选择基体：一般　Ｂ　Ｃ、ＷＣ等）、碳颗粒等，要考虑颗粒增强体的应用　情况下，侧重铸造性能的构件，应选择不含ｚｒ的铸　条件、制备工艺、材料的成本、密度、熔点等因素，并　造镁合金为基体，侧重挤压性能的构件选用变形镁　且能够保障与基体结合良好．颗粒尺寸越小，比表面　合金为基体．纯镁强度低，不宜直接用作基体，需加　积就越大，表面能就越高，不利于颗粒均匀分散Ｉ５］．　收稿日期：２０１５—０５—２６　基金项目：河南科技大学博士科研启动基金资助项目（０９００１２３３），河南科技大学青年科学基金资助项目（２０１４ＱＮ０１３）　作者简介：朱宏喜（１９７６一），男，２００７年北京科技大学材料学专业博士研究生毕业，讲师．　２　南方金属　Ｓ０ＵＴＨＥＲＮ　ＭＥＴＡＩ　２０１５年第５期　颗粒的形状不应有尖角，否则容易造成应力集中，使　颗粒周围的应变分布不均匀，尖角越锋锐，应力越集　中，一般采取圆形状．纤维增强体分为天然纤维增强　体与合成纤维增强体，天然纤维增强体包括植物纤　维、动物纤维及矿物纤维．碳纤维和碳化硅纤维强度　高、模量高、密度小、热膨胀系数小，具有很好的耐热　性。。　．　２镁基复合材料的制备方法　２．１铸造　镁合金基体的化学性质十分活泼，在温度较高　时，容易发生氧化，在制备过程中要进行抽真空，加　入惰性气体，二氧化碳与六氟化硫混合气体进行保　护　．采用铸造方法成型，由于是液态成型，设备简　单，能成型复杂的零件，成本不高，适应大规模成型．　铸造法包括：挤压铸造、搅拌铸造、液态铸造等＿８］．　２．１．１挤压铸造　挤压铸造是制备金属基复合材料最有效的方法　之一，是比较成熟的方法．采用挤压铸造法制备出二　维碳纤维织物增强镁基复合材料，加人二维织物能　使抗弯强度达到４１４　ＭＰａ，能够显著地提高其抗弯　强度，弹性模量达到５９．６５　ＧＰａ，并且使复合材料的　力学性能具有二维的对称性；碳纤维织物的加入降　低了复合材料的热膨胀系数，在２０～２００　ｑｃ平均热　膨胀系数仅为５．５９×１０。。。／＇Ｅ，明显低于镁合金基　体　．　２．１．２搅拌铸造　搅拌铸造法制备金属基复合材料，成本比较低，　设备比较简单，这种方法首先在铝基复合材料上得　到广泛的应用　，进而在镁基复合材料的制备上得　以推广，使其具有更优异的力学性能、电学性能　．　金亚旭等人　采用液态金属搅拌铸造法制备　Ｋ　Ｔｉ　Ｏ　３晶须（　Ｗ）增强ＡＺ９１　Ｄ镁基复合材料．研　究表明，ＰＴＷ会对共晶形貌产生明显的影响，铸态　组织有显著的细化，组织由完全离异共晶骨骼状的　ｐ相转变为部分离异共晶的蜂窝状ｐ相，合金显微　组织的细化及Ｂ相体积分数的降低，从而提高其耐　蚀性能．　２．１．３压力渗透　压力渗透是熔体与压力铸造相结合的方法，在　压力差作用下，可以克服增强体与基体不润湿的现　象，消除了气孔等铸态组织缺陷¨　．采用真空压力　渗透制备出高体分微米级ＳｉＣｐ／Ｍｇ复合材料，在真　空度小于１　ｋＰａ，温度７１０℃，气压０．３　ＭＰａ，保压　５　ｍｉｎ条件下，有效紧密堆积的ＳｉＣ颗粒的最小尺寸　为１３　ｍ，制备出的复合材料密度为２．６２５　ｇ／ｃｍ　，　体积分数可达５８．２％，在３０～２００　ｑＣ的热膨胀系数　为６．５×１０～ｍ／Ｋ．具有优良的热膨胀系数¨　．　２．１．４其它铸造　Ａｒｉ．Ｍ等人　采用超声空化分散铸造法将质　量分数为１％ＳｉＣ纳米颗粒用于增强Ｍｇ基体，并对　铸造样品进行晶粒尺寸、形状、分散率的研究．研究　表明：在该工艺条件下复合材料的平均晶粒度为７１　ｍ，平均ＳｉＣ纳米尺寸为６６　ｍ，而纯镁为１８１　Ｉｘｍ，　透射电镜显示ＳｉＣ纳米材料具有良好的分散性，只　有局部很少的团聚现象．由于存在Ｏｒｏｗａｎ效应和　Ｈａｌｌ—Ｐｅｔｃｈ效应，屈服强度可以达到６７ＭＰａ，比纯　镁高３０　ＭＰａ．　Ｘ．Ｗａｎｇ等人¨　采用吸铸方法将Ｍｇ—Ｚｎ—　Ｍｎ合金渗入到多孔碳材制成Ｃ／Ｍｇ—Ｚｎ—Ｍｇ复合　材料，并进行微观、力学性能、腐蚀行为进行了研究．　结果表明：该复合材料具有密实的结构并且镁合金　与碳支架的界面结合十分好．耐压强度可达到１８０　～２１０　ＭＰａ，比原来多孔碳材料高１５０倍．在３６．５～　３７．５℃模拟体液（ＳＢＦ）环境下侵蚀３０　ｄ，质量损失　为５２．９％．在腐蚀３　ｄ和７　ｄ过程中，腐蚀速率分别　为０．０４３　ｍｇ／ｃｍ　ｈ和０．０２８　ｍｇ／ｃｍ　ｈ．腐蚀产物主　要是Ｍｇ（ＯＨ），和氢氧磷灰石（ＨＡ）．　２．２粉末冶金法　粉末冶金方法是制备颗粒增强金属基复合材料　的传统工艺，工艺流程一般为：纯镁粉或镁合金粉与　陶瓷颗粒均匀地混合在一起，通过真空除气、固结成　型，在进行热处理后制成所需形状、大小、性能的复　合材料．镁粉易发生爆炸，安全性、成本性是制约因　素　．　ＳｉＣ颗粒的加入可以显著提高纯镁基复合材料　的力学性能．ＳｉＣ颗粒在镁基复合材料中分布均匀，　复合材料物相中没有出现ＭｇＯ，表明氧化现象不明　显．１０　ｍ的ＳｉＣ　／Ｍｇ基复合材料的力学性能最好，　抗压强度可以达到１５２．３　ＭＰａ　．　在ＡＺ８１中加人体积分数为２０％的ＳｉＣ颗粒，　由于其载荷分配、位错强化、细晶强化作用使其拉伸　强度可以达到３０１．６１　ＭＰａ，ＳｉＣ颗粒对裂纹的偏转　存在一定的热失配问题，引发层错的产生，可以使材　总第２０６期　朱宏喜，等：镁基复合材料的研究进展　３　料的断裂强度增加，加入体积分数为１５％的ＳｉＣ断　裂韧性可达５．９６　ＭＰａ・ｍＩ１　［　］．　通过粉末冶金制备的Ｍｇ／ＳｉＣ　复合材料，密度　在１．５０—１．５６　ｇ／ｃｍ　，只有Ｍｇ与ＳｉＣ。物相而没有　其它金属间相，Ｍｇ与ＳｉＣ粉末的平均尺寸分别为６９　ｍ与８４１ｘｍ，由于质量分数为９％的ＳｉＣ的添加，硬　度与耐压强度比纯镁提高了不少，大约分别达到４８　ＨＢ与１４４　ＭＰａ［　．　罗小萍等人　采用粉末冶金的方法来研究了　碳纤维含量为０—４％时对复合材料的影响．镀镍碳　纤维在复合材料中分散均匀，碳纤维质量分数为４　％的镁预制体采用压制压力为４２０　ＭＰａ，烧结温度为　５５０℃，保温０．５　ｈ后在４８０℃用２８０　ＭＰａ的压力进　行热挤压得到的复合材料力学性能较佳．　２．３原位合成方法　原位合成颗粒增强复合材料具有增强相颗粒尺　寸细小、增强相与基体间界面干净、结合力与相容性　好等特点，成为近些年来镁基复合材料研究的热点　之一　．　原位合成法制备出Ａｌ　Ｔｉ颗粒尺寸在１～５　ｍ，　在Ｍｇ中分布均匀，细小的Ａｌ　Ｔｉ使镁合金基体的晶　格产生畸变，加剧了内部的应力集中，在受到外力的　时候阻碍基体形变，提高了材料的硬度与强度．在　Ａｌ　Ｔｉ质量分数为４０％时，材料的强度可达到２８０　ＭＰａ，硬度可达５５　ＨＲＡ　．　采用原位合成制备的中间合金Ｍｇ一５０％Ａ１　Ｃ　一６％Ｃｅ主要由层片状Ａｌ　Ｃ　和细杆状Ａｌ　Ｃｅ以及　Ｍｇ基体组成．在ＡＺ９１Ｄ镁合金熔体中加人中间合　金可明显细化枝晶组织，当加入质量分数为１．２％　时，平均晶粒尺寸由基体合金的３６０　ｍ降至６５　ｍ．晶粒细化机制可归结为Ａｌ　Ｃ　颗粒作为初生ａ　—Ｍｇ的异质晶核，ｃｅ富集于固液界面，引起成分过　冷，从而激活固液界面前沿潜在的Ａ１　Ｃ　核心，提高　Ａｌ　ｃ　的形核率　．　３　展望　国家大力实行节能减排，由于镁基复合材料具　有比重小、优良的综合性能和优异的储氢性能，故在　汽车工业、航空航天工业、能源替代与环境保护等方　面越来越发挥着重要的作用．今后，应该在以下几个　方面进行工作．　１）镁基复合材料增强体与基体润湿性不强，难　以形成牢固的界面，应加大界面反应的机理研究．　２）镁基复合材料的制备工艺比较复杂，成本较　高，有些还停留在实验室里，应加大对其产业化的转　化研究．　３）应积极开展宽领域的研究，涉及新型的产业　领域，例如：仿生复合材料、智能化复合材料、多功能　复合材料．　参考文献　［１］宋晓杰，李全安，刘文健，等．ＡＺ系镁合金耐蚀性研　究进展［Ｊ］．材料导报，２０１３，２７（５）：１００—１０３．　［２］　张发云，闫　洪．ＳｉＣｐ／ＡＺ６１复合材料半固态触变成　形的数值模拟［Ｊ］．铸造，２０１０，５９（１）：３４—３７．　［３］　董群，陈礼清，赵明久，等．镁基复合材料制备技　术、性能及应用发展概况［Ｊ］．材料导报，２００４，１８　（４）：８６—８９．　［４］　阮爱杰，马立群，卞亚娟，等．粉末冶金法ＳｉＣ颗粒　增强镁基复合材料的阻尼性能研究［Ｊ］．轻合金加工　技术，２０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