以镁合金为基体的复合材料教学资料

1、 1.复合材料发展的必然性复合材料发展的必然性 2.以镁合金为基体的复合材料以镁合金为基体的复合材料 的特点及制备的特点及制备 3.以镁合金为基体的复合材料以镁合金为基体的复合材料 的应用及发展现状的应用及发展现状 4.参考文献参考文献 复合材料发展的必然性复合材料发展的必然性 从世界范围看，复合材料特别是先进复合材料 遇到了前所未有的发展机遇。这是由几个重要 因素所决定的： 能源短缺，燃料持续涨价，要减少有害污染 和排放等，环保要求越来越高，于是减轻结构 质量，发展高性能结构材料，成为至关重要的 解决措施之一。 先进复合材料自身的优点和特性越来越被人 们认识和发掘，如优异的比强度和比刚度带来

2、 的大幅度结构减重、高耐腐蚀性、良好的疲劳 耐久性以及可以大规模整体成型等； 以碳纤维复合材料为代表的先进复合材 料自诞生40多年来技术发展日益成熟，特 别是各种低成本制造技术的出现，为扩大 应用提供了前提条件； 各种原材料，如钢、铝、钛等近年来均 在大幅涨价，唯有先进复合材料总趋势是 在不断降价，使其应用更具有了竞争性。 以镁合金为基体的复合材料的特点以镁合金为基体的复合材料的特点 组成组成 镁基复合材料主要由镁合金基体、增强相和基体 与增强相间的接触面界面组成。 基体基体 常用基体基体合金目前主要有：Mg-Mn，Mg-A1，Mg- Zn，Mg-Zr（锆），Mg-Li 和Mg-Re（铼），此

3、外， 还有于较高温度下工作的2 个合金系Mg-Ag 和 Mg-Y（钇）。镁基复合材料根据其使用性能选择 基体合金。侧重铸造性能的，可选择铸造镁合金 为基体；侧重挤压性能的，则一般选用变形镁合 金。 增强相增强相 增强相选择要求与铝基复合材料大致相同， 都要求物理、化学相容性好，润湿性良好， 载荷承受能力强，尽量避免增强相与基体 合金之间的界面反应等。常用的增强相主 要有纤维增强、晶须增强和颗粒增强。如C 纤维、Ti 纤维、B 纤维，Al2O3 短纤维， SiC 晶须，B4C 颗粒、SiC 颗粒和A12O3 颗 粒等。 各种增强体的特点各种增强体的特点 长纤维增强金属基复合材料性能好，但造 价昂

4、贵，不利于向民用工业发展，另外其 各向异性也是阻碍因素之一 颗粒或晶须等非连续物增强金属复合材料 是各向同性的，有利于进行结构设计，可 以二次加工成型，可进一步时效强化，并 具有高的强度，模量，硬度，尺寸稳定性， 优良的耐磨、耐蚀、减振性能和高温性能， 已日益引起人们的重视。 材料制备材料制备 由于镁的熔点与铝相近，镁基复合材料的制备工 艺与铝基复合材料相似。纤维、颗粒、晶须增强 镁基复合材料的制备方法主要有搅拌铸造、挤压 铸造以及粉末冶金，除了这些传统的制备方法以 外，近年还出现了机械合金化、熔体浸渗、DMD 法、自蔓延高温合成法、重熔稀释法、反复塑性 变形等新型制备方法。 粉末冶金法 粉末

5、冶金法是把均匀混合的陶瓷颗粒或者增强纤维与微细 纯净的镁合金粉末进行机械混合,排列以后,在模中压制, 然后加热至合金两相区进行烧结,使增强物与镁基体聚集 成一体形成镁基复合材料的方法。 粉末冶金法制备镁基复合材料的优点主要在于制备过程 中基体纯镁或者镁合金不必经过全熔的高温状态,因而能 避免铸造法带来的诸如镁合金强烈氧化,基体与增强物界 面处发生过量反应等问题,且增强体颗粒在基体内分布均 匀,从而赋予镁基复合材料更高的综合性能。而且粉末冶 金法对增强体类型没有限制,可以任意改变增强物与基体 的配比,制得高体积分数增强相的镁基复合材料。缺点是 粉末冶金工艺设备复杂,成本较高,不易制备形状复杂的零

6、 件,而且在生产过程中存在粉末燃烧、爆炸等危险,不易大 规模工业化生产。适宜在实验室中使用。 DMD 法 DMD 法（Disintegrated Melt Deposition）是 Gupta等人 提出的，先将基体与增强体颗粒在氩气保护下加热熔化并 过热，然后将过热处理的镁熔体搅拌均匀， 由两个氩气喷嘴将射流均匀地喷射沉积到底部的基板 上制备复合材料。 用 DMD 法制备的复合材料基体与增强相之间的 界面良好，增强相在基体里分布均匀，起到显著的晶 粒细化作用，极大限度地抑制了孔洞的产生，是一种 新型而有效的镁基复合材料的制备方法。 自蔓延高温合成法 自蔓延高温合成技术 （ Selfpropag

7、atingHigh-temperature Synthesis，简称 SHS）是将含有两种或两 种以上物质的混合物压坯的一端进行点火 引燃使其发生化学反应，仅依靠化学反应 放出的热量蔓延引起未反应的邻近部分发 生燃烧反应，直至整个坯料反应结束，其 反应的生成物一般为陶瓷或金属间化合物， 尺寸可达亚微米至微米级。 液态反应法 液态反应法就是先将基体合金熔化后,加入含有一 定反应产物元素的反应原料,进行搅拌,反应物原 料与基体合金中某种或几种元素发生化学反应,原 位生成增强相,制备复合材料。 液态反应法制备的镁基复合材料的增强相在镁熔 体中原位生成,界面无污染,界面结合良好,而且反 应生成的增强相

8、粒子尺寸细小,分布比较均匀,对 提高复合材料的性能十分有利。但是由于镁的活 性比较大,容易和许多物质发生反应,所以目前还 没有合适的反应体系可以形成热力学稳定性高、 硬度大、弹性模量高的增强相。因此探索合适的 反应体系是液态反应法研究的主要方向。 半固态搅拌熔铸法 半固态搅拌熔铸法就是靠桨叶旋转产生的机械搅 拌作用使半固态镁基体合金熔体形成涡流来强制 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,凝固后得到复合材料的方法。 半固态成型可以减少宏观偏析,使陶瓷颗粒在基体 内分布均匀,降低凝固收缩和成型温度,很大程度 上降低了镁在高温下的氧化烧损,减小危险性 11,12。而且该

9、工艺可以进行连续操作,有希望 用于大规模工业生产,但是现在半固态设备要求复 杂,成本高,且镁基复合材料的半固态工艺不成熟, 限制了半固态成型方法的广泛应用。 重熔稀释法 重熔稀释法（Remelting and Dilution，简称 RD）作为 一种原位生成技术，已经在镁基复合材料的制备中使用 反复塑性变形法 反复塑性变形（Repeated Plastic Working，简称RPW） 是 Kondoh 等人提出的一种非平衡加工技术。在材料制备 过程中，将增强相颗粒与基体材料混合均匀后，用不同的 压头交替进行压缩与挤压，经多次塑性变形后，坯体通过 固相反应可以制备原位反应生成的强化相微粒子增强

10、的高 性能复合材料。压缩过程中，由于粒子的相对流动而互相 混合、均匀分散；挤压过程中，基体与添加粒子受剪切力 作用被细化。反复进行压缩与挤压，便可达到了晶粒细化 与均匀分散的双重效果。 薄膜冶金法 薄膜冶金法是表面处理方法,首先制备镁基体薄膜, 然后在薄膜表面涂敷一层增强体,然后进行挤压变 形和热处理,使增强体和基体紧密结合在一起形成 镁基复合材料。 薄膜冶金法制备的镁基复合材料的增强相与基体 主要靠机械粘合,界面结合较差,另外制备工艺复 杂,所有操作均需在惰性气体保护下进行,设备要 求条件高,成本高。而且薄膜冶金法对增强体的种 类有限制,只能选择和基体有良好润湿性的增强体 材料才能形成结合良

11、好、没有显微裂纹的薄膜复 合材料,工艺比较复杂,工艺过程比较长,在实际的 应用中有很大的困难 以镁合金为基体复合材料的以镁合金为基体复合材料的优点优点 镁基复合材料是继铝基复合材料之后的又一具有 竞争力的轻金属基复合材料, 在某些方面其性能 甚至超过了铝基复合材料。 1.低密度（18X103kgm3，仅为铝或铝基复 合材料的2/3 左右） 2.高比强度和比模量 3.良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的 减震性能 4.良好的尺寸稳定性和铸造性能 5.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 以镁合金为基体的复合材料以镁合金

12、为基体的复合材料 的应用及发展现状的应用及发展现状 应用应用 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 阔的应用及前景。 车身构架使用轻量化材料EOS 6D镁合金机身骨架，机顶采用 高级复合材料 三星900X3A-A01的侧面 外壳铝镁合 金材质 笔记本的重量仅为1.350千克 我国以镁合金为基体的复合材料的 研究现状 我国结合国防军工及高技术发展的需要,开展了颗粒与 纤维增强镁基复合材料的研发,已有较好的研究基础。 在镁基复合材料的复合和成形技术研究方面,已基本掌握 精密铸造、挤压成形、超塑成形、搅

13、拌铸造、真空压力浸 渍等技术,并达到了国际先进水平。在铸造法制备颗粒增 强镁基复合材料的研究方面,我国已解决复合材料铸造成 形中存在的一些问题,如气孔、夹杂缺陷等,并可以浇注复 杂的薄壁铸件。已成功浇注了精密铸件,制成了颗粒增强 镁基复合材料飞机液压分油盖、卫星遥感镜身和镜盒,并 获得了应用。火箭用延伸喷管动作筒的应用研究也取得了 较大进展。一些民用品如摩托车轮毂等也通过了试车。 以镁合金为基体的复合材料 国家重点研究院校 上海交通大学上海交通大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 轻合金精密成型国家工程研究中心轻合金精密成型国家工程研究中心 金属基复合材料国家重点实验金属基复合材料国家重

14、点实验 使上海交大走在金属基复合材料研究使上海交大走在金属基复合材料研究 的前列的前列 存在的问题 镁基复合材料的复合机理、界面强化机理等基础 研究还不够充分；复合材料的制备工艺还有待于 改进和完善。 增强相和基体的性能还需进一步提高，目前常用 的基体合金都存在着某些不足，比如AZ91D 合金 虽然抗拉强度、压铸性能及抗腐蚀性能不错，但 抗蠕变性能不够理想。AS41B 合金抗蠕变性能不 错，但强度、硬度不尽如人意。所以发展新型的 具有优良性能的基体合金对复合材料的发展有重 要意义。镁材料的腐蚀现象严重，电化学腐蚀及 应力腐蚀现象尤为突出，杂质元素、晶粒细化和 热处理等对其腐蚀影响规律的研究报道

15、还不够。 此外，材料的回收性能也是制约镁基复合 材料应用的一个重要问题，镁基复合材料 由于本身的结构特性，使得它的回收再利 用难度很大，这也极大制约了它的进一步 应用。因此如何开发一种科学适用的回收 体系，充分利用材料并有利于环境保护， 也是镁基复合材料研究领域的一大热点。 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 以镁合金为基体的复合材料的攻克点,从而 能实现大规模的商业化。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

16、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 (2)增强体的选择。采用超细增强体(如亚徽米、 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,Mg一Li基复合材料是首 选材料并将成为研究热点。 (4)颗粒增强镁基复合材料热力学及动力学 的计算机模拟技术将成为研究热点之一; (5)镁基功能

17、复合材料的开发利用。尤其是 镁基储能材料的研究开发将会更加深入。 (6)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。 （7）在汽车工业中,镁压铸件的加工、循环再 生和铸造方面较铝有很大的技术优势,而且用镁 可以代替汽车上的特种塑料,因此,原位颗粒增 强镁基复合材料在汽车工业具有潜在的应用前 景和广阔的市场 （8）镁基复合材料的智能化设计。 参考文献 1谷雪花,杨方,齐乐华,周计明. 镁基复合材料新型制备工 艺及其应用J. 塑性工程学报,2011,(02):81-87. 2陈晓,傅高升,钱匡武. 镁基复合材料的研究现状和发展趋 势J. 机电技术,2003,(S

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