镁基复合材料论文.doc

金材091班 陈向华 090601118镁基复合材料的应用及发展摘要：镁基复合材料因其轻量化和高性能而成为当今高新技术领域中最富竞争力和最有希望采用的复合材料之一。本文将综述镁基复合材料的不同制备方法及其对复合材料组织、结构、性能的影响，并提出镁基复合材料的研究和发展方向。关键词：镁基复合材料；制备方法；基体镁合金；性能；应用；发展1.引言现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。复合材料是将两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。近年来，金属基复合材料在许多领域得到了应用。目前金属基复合材料的制备方法已有很多，并在铁基、镁基、铜基、铝基、钛基等金属基复合材料中取得了比较大的成功。镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料主要特点是密度低、比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；此外，还具有电磁屏蔽和储氢特性等，是一类优秀的结构与功能材料，也是当今高新技术领域中最有希望采用的复合材料之一；在航空航天、军工产品制造、汽车以及电子封装等领域中具有巨大的应用前景。根据镁基复合材料的特点，结合原有的金属基复合材料的制备工艺，材料工作者尝试了多种新的适合制备镁基复合材料的方法与工艺，对研制、开发镁基复合材料起到了很好的促进作用。2.镁基复合材料的组织与性能镁基复合材料组织特征为增强体分布在基体合金中，同时引入了大量的界面以及高密度位错缠结，其晶粒度较基体合金也小，无论是高密度位错引起的位错强化，还是细化晶粒的作用都将提高和改善复合材料的拉伸强度和刚度等力学性能。另外，挤压变形、固溶时效以及其它一些工艺的运用和调整都将有利于进一步提高镁基复合材料力学性能镁基复合材料具有良好的阻尼性能(减振性能)、电磁屏蔽性能和储氢特性，是良好的功能材料，还具备密度小、贮氢容量高、资源丰富等优点。镁基贮氢复合材料正被日益重视，主要制备方法有多元合金化、机械合金化、多元复合等。3.镁基复合材料的制备方法由于镁的熔点与铝相近，镁基复合材料的制各工艺与铝基复合材料相似。镁基复合材料制备方法主要分为粉末冶金法、铸造法、熔体浸渗法、喷射法、薄膜冶金法等。但在选择具体制备工艺时应考虑增强体与基体的性能，不同制备工艺所获得的复合材料性能也不尽相同，有时差异很大。3.1粉末冶金法(PM法)PM工艺是较早用来制备镁基复合材料的。其特点是：对基体合金种类和增强体类型以及体积含量没有严格限制，通过粉末混合工艺可以使陶瓷颗粒在基体中达到分布均匀。该法在制备A1基复合材料中得到了成功应用，尽管镁的化学活泼性高，但通过适当的气氛保护后PM法同样适用于镁基复合材料的制备。其中，混粉、压实、烧结3个步骤对复合材料的微观组织和性能有很大影响。利用PM 工艺，结合低能机械合金化等特殊的粉末混合技术，针对不同的镁合金体系以及各种陶瓷增强体，经过二次加工成型后，获得了性能良好的管材、板材以及棒材等。3.2铸造法(Casting Route)搅拌铸造是制备颗粒增强金属基复合材料的一种典型工艺，通常分为3类： 全液态搅拌铸造工艺；半固态搅拌铸造工艺；前2类工艺属搅拌铸造法。 搅熔铸造工艺。搅熔铸造法是靠桨叶旋转产生的机械搅拌作用使半固态基体合金熔体形成的涡流来强制引入增强颗粒，在增强颗粒与先凝固的金属晶粒混合均匀后再升温浇铸，凝固后得到镁基复合材料的方法。而搅拌铸造法是在液态下搅拌，搅拌后产生的负压使复合材料很容易吸气而形成气孔，另外增强颗粒与基体合金的密度不同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现象。半固态成型可以减少宏观偏析，降低凝固收缩和成型温度，且陶瓷颗粒在基体内分布均匀。由于该工艺在很大程度上降低了镁在高温下的氧化烧损，且该工艺设备简单、成本低，最有希望应用于大规模的工业生产。3.3熔体浸渗法按施压方式可以分为压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗3种。压力浸渗是先将增强颗粒做成预制件，加入液态镁合金后加压使熔融的镁合金浸渗到预制件中，制成复合材料，该工艺已很成熟。无压浸渗是指熔的镁合金在惰性气体的保护下，不施加任何压力对增强颗粒预制件进行浸渗。该工艺设备简单 、成本低 ，但预制件的制备费用较高，因此不利于大规模生产。负压浸渗是通过预制件造成真空的负压环境使熔融的镁合金渗入到预制件中，制备的SiCMg颗粒在基体中分布均匀。 3.4喷射法喷射法是一种快速凝固法，包括喷射沉积法、熔融旋压法等。喷射沉积法首先使液态金属在高压惰性气体喷射下雾化，形成熔融合金喷射流，同时将颗粒喷入熔融合金的射流中，使液固两相颗粒混合并共沉积到预处理的衬底上，快速凝固得到镁基复合材料。利用此法制备的镁基复合材料中颗粒在基体内均匀分布，晶粒细小，界面清洁，但孔隙率较高，需进行二次加工。熔融旋压法能使含有颗粒状增强物的熔融金属以每秒几千至几百万度的高速度凝固，获得厚约50,m的薄片，这些薄片被压实为坯料，然后挤压成型材。其颗粒分布相当均匀，具有极好的高温强度和高比刚度及断裂韧性。3.5薄膜冶金工艺 也称箔冶金扩散焊接工艺，目前只在MgLi基复合材料中使用，与粉末冶金法相比，该法可减少表面污染，但工艺稍复杂。4.镁基复合材料的应用 从近期发展看，镁基复合材料并没有大规模地应用于常规结构件中，但它们在航空航天和汽车电子工业中的众多构件方面有着广阔的应用前景。美国TEXTRON、DOW 化学公司用SiC Mg复合材料制造螺旋桨、导弹尾翼、内部加强的汽缸等。DOW 化学公司用AlzO SiC Mg复合材料已制成皮带轮、油泵盖等耐磨件，并制备出完全由AlzO Mg复合材料构成的油泵。美国海军研究所和斯坦福大学利用B C MgLi、BpMgLi复合材料制造卫星天线构件。加拿大镁技术研究所成功开发了搅拌铸造及挤压铸造SiC颗粒增强镁基复合材料，试图利用其低密度、耐磨损、高比刚度等特点用于汽车的盘状叶轮、活塞环槽、齿轮、变速箱轴承、差动轴承、拨叉、连杆、摇臂等零部件。由于目前制备镁基复合材料的成本较高，其应用多集中在航空航天和军事工业。但镁合金是一种国际上承认的绿色环保和可持续发展合金材料，随着新世纪节省能源、保护环境、可回收利用等观念深入人心，预计在汽车等交通工具领域应用将会大大增加。汽车工业中，镁压铸件的加工、循环再生和铸造等较铝有很大的技术优势，并可以用其来代替汽车上部分特种塑料制造的零件。5.镁基复合材料的发展前景展望从目前发展趋势看，简化现有制备工艺、改善成形性以降低制备成本是发展镁基复合材料的攻克点，从而能实现大规模的商业化。预计，以下几个方面将会成为今后的研究热点：(1)低成本制备技术的开发。原位生成的陶瓷颗粒增强相具有表面无污染、良好的界面相容性和高结合度等传统工艺不具备的特性，因此，借鉴目前原位内生颗粒增强铝基复合材料较为成熟的制备技术来探索原位内生颗粒增强镁基复合材料，尤其是改善界面结合行为，结合自发浸渗的原位合成技术来获得近终成型的镁基复合材料构件。(2)增强体的选择。采用超细增强体(如亚微米、纳米增强体)，研究其制备的关键技术，即增强体的分散性和基体界面的相容性，从而在提高强度的同时细化晶粒、提高塑性以获得优良综合性能的材料。(3)超轻系镁基复合材料的研究。进一步研究开发应用于航空航天结构件等方面的超轻系镁基复合材料，MgLi基复合材料是首选材料并将成为研究热点。(4)镁基功能复合材料的开发利用，尤其是镁基储能材料的研究开发会更加深入。(5)镁基复合材料回收和再利用技术。这是应环保及可持续发展要求而必须面对的新型课题。(6)镁基复合材料的智能化设计。采用计算机辅助技术模拟制备镁基复合材料热力学和动力学过程，从而更加清楚地了解基体增强体界面反应的实际过程，减少复杂实验过程中诸多因素的影响，为镁基复合材料的结构性能制备一体化设计开辟新的研究途径。参考文献1 陈煜，吴桢干，顾明元等石墨纤维增强镁基复合材料界面中国有色金属学报，1997，7(3)：1242 郝元恺，姜冀湘，赵恂碳化硼颗粒镁合金复合材料的工艺和性能复合材料学报，1995，12(4)：83 李新林，王慧远；颗粒增强镁基复合材料的研究现状与展望；2001，194 蔡叶，苏华钦镁基复合材料研究