镁基复合材料(2)

1、镁镁 基基 复复 合合 材材 料料材材 料料 学学 李小强李小强目目 录录 523411 镁基复合材料的初步认识镁基复合材料的初步认识复复 合合 材材 料料 的的 定定 义义 由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的 一种多相固体材料。复复 合合 材材 料料 的的 种种 类类（1）聚合物基复合材料。其中含有热固性树脂基复合材料，热塑性树脂基和橡胶基复合材料。（2）金属基复合材料。其中含有轻金属基，高熔点金属基，金属间化合物基复合材料。（3）无机非金属基复合材料。其中含有陶瓷基，碳基，水泥基复合材料。复合材料的结构复合材料的结构复合材料复合材料一次结构二次结构三次结构：镁合金是最轻的工

2、程结构材料。镁的密度1.74，约为钢的1/4，铝的2/3，为工程塑料的1.5倍。：镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料，为一般塑料的10倍。 ：相同载荷下，是铝的100倍，钛合金的300500倍。电磁屏蔽性佳。：金属的热传导性是塑料的数百倍，其热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，常用合金中比热最高。：为碳钢的8倍，铝合金的4倍，为塑料材料的10倍以上。：外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感。：花费相当于新料价格的4%，可回收利用镁合金制品及废料。 镁基复合材料密度小，仅为铝或基复合材料的2/3左右，具高的比强度和比刚度以及良好的力学和物理性能，受

3、到航空航天、汽车、机械以及电子等高技术领域的重视，在新兴高新技术领域比传统金属和铝基复合材料的应用潜力更大。因此自20世纪80年代末，镁基复合材料已经成为金属基复合材料领域的研究热点之一。 镁化合镁化合物物 铸镁铸镁 镁合金镁合金 纤维纤维 晶须晶须 颗粒颗粒v 常用的基体镁合金常用的基体镁合金 镁基复合材料要求基体组织细小、均匀，基体合金使用性能良好Mg-Al合金（AZ31、AZ61、AZ91） 标准标准 Mg-Zn-Cu合金（ZC17）Mg-Re-Zr合金Mg-Ni合金高强度高强度耐热耐热 储氢储氢v 常用颗粒增强体常用颗粒增强体 根据镁基复合材料的使用性能、基体镁合金的种类和成分来选择所

4、需的颗粒增强体要求增强体与基体物理、化学相容性好，应尽量避免增强体与基体合金之间的有害界面反应，并使其与基体润湿性良好，载荷承受能力强等。取适当的工艺措施使颗粒在基体内分布均匀，减少颗粒间的团聚，以改善材料受载时内部的应力分布，也保证复合材料具有良好性能的关键之一。 制备方法可以分为外加颗粒和内位原生颗粒法两种。常用颗粒增强体种类常用颗粒增强体种类v 碳化物碳化物 SiC颗粒颗粒 SiC的硬度高，耐磨性能好，并具有抗热冲击、抗氧化等性能。镁没有稳定的碳化物，SiC在镁中热力学上是稳定的，因此，SiC常用作镁基复合材料的增强相，并且来源广泛价格便宜，用其作为增强颗粒制备镁基复合材料具有工业化生产

5、前景。 B4C颗粒颗粒 B4C为菱面体站构，高熔点、高硬度，硬度仅次于金刚石与立方氮化硼，是密度最低的陶瓷材料，热膨胀系数相当低，价格也较便宜。 TiC颗粒颗粒 TiC为面心立方晶格，具有高熔点、高硬度及高温稳定性好等优点。TiC与镁的润湿性好于与铝的润湿性。且不和镁发生界面反应。因此，TiC是作为镁的增强相的较佳选择。常用颗粒增强体种类常用颗粒增强体种类v 硼化物硼化物 TiB2颗粒颗粒 TiB2是一种新型的工业陶瓷原料。具有硬度大，耐磨损，耐酸碱，导电性与稳定性好等优异特性。 TiB颗粒颗粒 TiB具有高硬度、高熔点、良好的导电性、抗熔融腐蚀性等，是作为镁基复合材料增强相的较佳选择。但是，

6、遗憾的是对于TiB颗粒增强镁基复合材料的研究报道很少。v 氧化物颗粒氧化物颗粒 氧化物弥散强化机制日益受到研究者的重视，过去研究者只限于制备小体积分数的MgO增强镁基复合材料，现在已有研究者制备出大体积分数MgO增强镁基复台材料。常用纤维增强体种类常用纤维增强体种类C纤维纤维 C纤维强度高（7000MPa）、密度小、弹性模量高（900GPa）、低热膨胀、高导热、耐磨、耐高温等优异性能。 SiC纤维纤维 碳化硅纤维是以碳和硅为主要成分的一种陶瓷纤维。它具有高强度、高模量、高化学稳定性以及良好的高温性能，主要用于增强金属和陶瓷。B纤维纤维 B纤维是一种将硼通过高温化学气相沉积在钨丝或碳芯表面制成的

7、高性能增强纤维，具有很高的比强度和比模量，也是制造金属基复合材料最早采用的高性能纤维。常用晶须增强体种类常用晶须增强体种类vSiC陶瓷晶须 SiC陶瓷晶须通常采用化学气相法制造，气体原料在一定的温度下经催化剂作用，生长成晶须。SiC晶须具有强度和模量高、导热性好的优点，并且可以批量生产，价格较低，是目前用于金属基和陶瓷基复合材料的主要增强晶须。SiC晶须生产的工艺流程晶须生产的工艺流程碳（炭黑）等SiO2焙烧加热反应1500v 优良的力学性能优良的力学性能目前，对于颗粒增强金属基包括镁基复合材料的强化机制还没有一个统目前，对于颗粒增强金属基包括镁基复合材料的强化机制还没有一个统一而完善的理论。

8、一而完善的理论。普遍认为，颗粒增强复合材料强化机制主要有以下几点：普遍认为，颗粒增强复合材料强化机制主要有以下几点：由于基体与增强体由于基体与增强体热膨胀系数热膨胀系数不同导致材料内产生热残余应力以及由于不同导致材料内产生热残余应力以及由于热残余应力热残余应力释放导致基体中产生释放导致基体中产生高密度位错；高密度位错；增强体的加入对基体变形的约束以及对基体中位错运动的阻碍产生了强增强体的加入对基体变形的约束以及对基体中位错运动的阻碍产生了强化；化；基体向增强体的载荷传递以及晶粒细化强化等。基体向增强体的载荷传递以及晶粒细化强化等。然而由于材料的强度、韧性和断裂等力学性能与材料的原位特性有关然而

9、由于材料的强度、韧性和断裂等力学性能与材料的原位特性有关 ，对材料中的界面、缺陷等局部缺陷很敏感，属高阶性能，往往出现协同效对材料中的界面、缺陷等局部缺陷很敏感，属高阶性能，往往出现协同效应，即当几个因素同时在材料中起作用时，材料的某些特性可能发生急剧应，即当几个因素同时在材料中起作用时，材料的某些特性可能发生急剧变化。因此，不能简单认为复合材料的高强度是上述强化因素简单的叠加变化。因此，不能简单认为复合材料的高强度是上述强化因素简单的叠加效应。效应。v 优良的耐磨性优良的耐磨性内部因素内部因素增强相种类增强相种类增强体属于硬质的颗粒、短纤维(或晶须)、长纤维，此种情况下增强体的引入使得基体硬

10、度提高，导致材料耐磨性增加。增强体形状及取向增强体形状及取向在种类、体积等其它属性相同的情况下，形状圆润的增强体有利于复合材料耐磨性的提高。增强体体积分数增强体体积分数在体积分数较低时，镁基复合材料的耐磨性一般随硬质增强体体积分数的增加而提高。v 优良的耐磨性优良的耐磨性B4C和SiC颗粒增强镁基复合材料的耐磨性能B4C和SiC颗粒增强镁基复合材料比基体合金耐磨性能有较大提高图1 磨损量随磨损时间变化曲线v 优良的耐磨性优良的耐磨性 加入纳米SiC后，材料从轻微磨损到严重磨损的转变温度提高了50，复合材料表现出较好的耐高温磨损性能，使其能够在更高的温度下保持更好的耐磨性能。 纳米SiC一的加入

11、能够改善AZ91D镁合金的高温耐磨性能，在室温到300度的温度范围内，随着温度的提高，基体和复合材料的磨损量都是先减小然后急剧增加。图2 SiC在AZ91复合材料中的分布形态图3 AZ91复合材料磨损变化曲线v 优良的储氢性能优良的储氢性能 镁基复合材料具有储氢量大、质量轻、价格低以及资源丰富等优点。v 优良的阻尼性能优良的阻尼性能 在所有的金属结构材料中，镁的阻尼性能最好，因此，采用高阻尼镁合金为基体，选择合适的增强体，通过合理的设计，可望使复合材料最大Q值达到0.01以上，获得高阻尼、高强度和低密度的减震材料。 简称PM法，是利用粉末冶金原理，将基体粉末与增强颗粒按设计要求的比例进行机械混

12、合，然后再压坯、烧结或直接用混合料进行热压、热轧、热挤成型来制备镁基复合材料的方法，是较早用来制备镁基复合材料的工艺。 粉末冶金的特点 ：可控制增颗粒的体积分数 ，增强体在基体中分布均匀；制备温度较低 ，一般不会发生过量的界面反应。该法工艺设备较复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。 v 粉末冶金法粉末冶金法粉末冶金法强化材料金属粉末混合预制成形烧结坯料 包括压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗。 压力浸渗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，制成复合材料采用高压浸渗，可克服增强颗粒与基体的不润湿情况，气孔、疏松等铸造缺陷也可以得到很好的弥补。 无压浸渗

13、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。增强颗粒与基体的润湿性是无压浸渗技术的关键。 负压浸渗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。由负压浸渗制备的SiC颗粒在Mg基体中分布均匀。 v 熔体浸染法熔体浸染法 搅拌铸造法是根据铸造时金属形态不同可分为全液态搅拌铸造、半固态搅拌铸造、和搅熔铸造。v 搅拌铸造法搅拌铸造法v 挤压铸造法挤压铸造法 挤压铸造是通过压机讲液态金属强行压入增强材料的预制件中以制备复合材料的一种方法。其过程是先将增强材料制成一定形状

14、的预制件，经干燥预热后放入模具中，浇入熔融金属，用压头加压，液态金属在压力下浸渗入预制件中，并在压力下凝固制成接近最终形状和尺寸的零件。 此工艺首先用高压的惰性气体流将液态镁合金雾化 ，形成熔融状态的镁合金喷射流，同时将增强颗粒喷入镁合金喷射流中，使颗粒和基体的混合体沉积到衬底上 ，凝固后得到镁基复合材料 ：该工艺所制备的复合材料颗粒在基体中分布均匀、凝固快 、界面反应较少。v 喷射沉积法喷射沉积法v原位合成法原位合成法 在一定的条件下，通过元素之间或元素化合物之间的化学反应在一定的条件下，通过元素之间或元素化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高强度、高弹性模量的陶瓷增，在金属

15、基体内原位生成一种或几种高强度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化基体的效果。强相，从而达到强化基体的效果。优点：优点：（1）增强体在基体内部原位生成，表面）增强体在基体内部原位生成，表面无污染，与基体界面结合强无污染，与基体界面结合强度高。度高。（2）增强体颗粒尺寸规则且分布均匀。）增强体颗粒尺寸规则且分布均匀。（3）在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可大幅度地提）在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可大幅度地提高材料的强度和弹性模量。高材料的强度和弹性模量。（4）工艺简单，成本较低）工艺简单，成本较低反复塑性变形法反复塑性变形法薄膜冶金工艺薄膜冶金工艺混合盐反应法混合盐反应

16、法重熔稀释法重熔稀释法低温反应自熔低温反应自熔放热反应法放热反应法其其他他制制备备技技术术 RCM法法DMD法法镁基复合材料镁基复合材料基体材料基体材料增强体类型增强体类型制备工艺制备工艺性能性能铸镁铸镁镁化合物镁化合物镁合金镁合金连续纤维增强连续纤维增强非连续纤维层强非连续纤维层强自生增强自生增强层板层板外加增强外加增强内加增强内加增强结结构构功能功能1.美国TEXTRON、DOW 化学公司用SiCp Mg复合材料制造螺旋桨、导弹尾翼、内部加强的汽缸等。2.德国克劳斯塔工业大学采用 Al2O3 SiCp Mg制成了轴承、活塞、汽缸内衬等汽车零件。3.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，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。电子工业电子工业汽车工业汽车工业航空航天工业航空航天工业v 由于在金属基体内原位生成的高硬度高弹性模量的陶瓷颗粒增强相具有表面无污染与基体相容性良好，界面结合强度高等传统复合工艺无法比拟的优点，因此，借鉴目前原位内生颗粒增强铝基复合材料较成熟的制备技术，探索高性能、低成本、容易大规模生产的原位颗粒内生半固态镁基复合材料制备技术将成为研究热点之一；v 颗粒增强镁基复合材料热力