鎂基復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、鎂基復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀與展望顆粒增強鎂基復(fù)合材料課程名稱：金屬基復(fù)合材料學(xué)生姓名：學(xué)號 : 班級 ：日期 ：2010/12/26鎂基復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀與展望顆粒增強鎂基復(fù)合材料摘要：鎂基復(fù)合材料具有很高的比強度、比剛度以及優(yōu)良的阻尼減震性能，是汽車制造、航空航天等領(lǐng)域的理想材料之一。本文綜述了顆粒增強鎂基復(fù)合材料的研究概況，鎂基復(fù)合材料常用的基體合金和常用的增強相。著重介紹了其制備方法、力學(xué)以及阻尼性能，并對它的發(fā)展趨勢進行了展望。關(guān)鍵詞：鎂基復(fù)合材料；制備方法；基體鎂合金；顆粒增強體；性能1.前言與傳統(tǒng)的金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料具有高的比強度、比剛度、耐高溫、耐磨損耐疲勞、熱膨脹

2、系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能。金屬基復(fù)合材料的增強體主要有長纖維、短纖維、顆粒和晶須等，其中顆粒增強金屬基復(fù)合材料由于制備工藝簡單、成本較低微觀組織均勻、材料性能各向同性且可以采用傳統(tǒng)的金屬加工工藝進行二次加工等優(yōu)點，已經(jīng)成為金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域最重要的研究方向，正在向工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展。 顆粒增強金屬基復(fù)合材料的主要基體有鋁、鎂鈦、銅和鐵等，其中鋁基復(fù)合材料發(fā)展最快；由于鎂的密度更低(1.74 gcm3)，僅為鋁的 23，具有更高的比強度、比剛度，而且具有良好的阻尼性能和電磁屏蔽等性能，鎂基復(fù)合材料正成為繼鋁基之后的又一具有競爭力的輕金屬基復(fù)合材料。鎂基復(fù)合材料因其密度小，

3、且比鎂合金具有更高的比強度 、比剛度、耐磨性和耐高溫性能，受到航空、航 天 、汽車、機械及電子等高技術(shù)領(lǐng)域的重視自20世紀(jì)8O年代至現(xiàn)在，鎂基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料的研究熱點之一。顆粒增強鎂基 復(fù)合材料與連續(xù)纖維增強、非連續(xù) (短纖維、晶須等)纖維增強鎂基復(fù)合材料相比，具有力學(xué)性能呈各 向同性、制備工藝簡單、增強體價格低廉 、易近終成型、易機械加工等特點，是目前最有可能實現(xiàn)低成本、規(guī)?；虡I(yè)生產(chǎn)的鎂基復(fù)合材料。2制備方法 21粉末冶金法 粉末冶金法是把微細純凈的鎂合金粉末和增顆粒均勻混合后在模具中冷壓 ，然后在真空中將合體加熱至合金兩相區(qū)進行熱壓，最后加工成型得復(fù)合材料的方法 。粉末冶金

4、的特點 ：可控制增顆粒的體積分?jǐn)?shù) ，增強體在基體中分布均勻；制備溫度較低 ，一般不會發(fā)生過量的界面反應(yīng)。該法工藝設(shè)備較復(fù)雜，成本較高，不易制備形狀復(fù)雜的零件。 2.2熔體浸滲法 包括壓力浸滲、無壓浸滲和負壓浸滲。壓力浸滲是先將增強顆粒做成預(yù)制件，加入液態(tài)鎂合金后加壓使熔融的鎂合金浸滲到預(yù)制件中，制成復(fù)合材料采用高壓浸滲，可克服增強顆粒與基體的不潤濕情況，氣孔、疏松等鑄造缺陷也可以得到很好的彌補。無壓浸滲是指熔的鎂合金在惰性氣體的保護下，不施加任何壓力對增強顆粒預(yù)制件進行浸滲。該工藝設(shè)備簡單 、成本低 ，但預(yù)制件的制備費用較高，因此不利于大規(guī)模生產(chǎn)。增強顆粒與基體的潤濕性是無壓浸滲技術(shù)的關(guān)鍵。負

5、壓浸滲是通過預(yù)制件造成真空的負壓環(huán)境使熔融的鎂合金滲入到預(yù)制件中。由負壓浸滲制備的SiCMg顆粒在基體中分布均勻。 2.3全液態(tài)攪拌法 在保護氣氛下，將增強顆粒加入熔融的鎂合金基體中，再進行機械攪拌，最后澆鑄成型。此方法設(shè)備以及工序簡單，成本也較低，但在攪拌的過程中容易產(chǎn)生氣孔，另外由于增強顆粒與基體的密度不同易發(fā)生顆粒沉積和團聚的現(xiàn)象：鑄錠凝固后可以進行熱擠壓 ，可以改善基體和增強顆粒間的界面完整性以及增強相在基體中的均勻分布 ，并且在擠壓的過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，復(fù)合材料發(fā)生了明顯的晶粒細化現(xiàn)象。2.4半固態(tài)攪熔鑄造法 半固態(tài)攪熔鑄造法是指將增強顆粒加入由機械攪拌的半固態(tài)基體中，待混合均勻

6、后升至熔點溫度澆鑄，凝固后得到鎂基復(fù)合材料的方法。此方法可以避免全液態(tài)攪拌法易產(chǎn)生氣孔和發(fā)生顆粒沉積及團聚的現(xiàn)象。該工藝較有利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。2.5噴射沉積法 此工藝首先用高壓的惰性氣體流將液態(tài)鎂合金霧化 ，形成熔融狀態(tài)的鎂合金噴射流，同時將增強顆粒噴入鎂合金噴射流中，使顆粒和基體的混合體沉積到襯底上 ，凝固后得到鎂基復(fù)合材料 ：該工藝所制備的復(fù)合材料顆粒在基體中分布均勻、凝固快 、界面反應(yīng)較少。3.鎂基復(fù)合材料常用的基體鎂合金和顆粒增強體3.1常用的基體鎂合金鎂基復(fù)合材料要求基體組織細小、均勻，基體合金使用性能良好根據(jù)鎂基復(fù)合材料的使用性能，對側(cè)重鑄造性能的鎂基復(fù)合材料可選擇不含Zr的鑄造

7、鎂合金為基體；側(cè)重擠壓性能的則一般選用變形鎂合金。這些基體鎂合金主要有鎂鋁鋅系(A731、AZ61、AZ91)、鎂鋅鋯系、鎂鋰系、鎂鋅銅系(ZC71)鎂錳系、鎂稀土鋯系、鎂釷鋯系和鎂釹銀系等。純鎂的強度較低，不適合作為基體，一般需要添加合金元素以合金化。主要合金元素有 A1、Mn、Zn、Li、AS、Zr、Th、Ni和稀土元素等。這些合金元素在鎂合金中具有固溶強化、沉淀強化和細晶強化等作用，添加少量AI、Mn、Zn、Zr、Be等可以提高強度；Mn可提高耐蝕性；Zr可細化晶粒和提高抗熱裂傾向；稀土元素除具有類似zr的作用外，還可以改善鑄造性能、焊接性能、耐熱性以及消除應(yīng)力腐蝕傾向；Li除可在很大程

8、度上降低復(fù)合材料的密度外，還可以大大改善基體鎂合金的塑性。3.2常用的顆粒增強體根據(jù)鎂基復(fù)合材料的使用性能、基體鎂合金的種類和成分來選擇所需的顆粒增強體要求增強體與基體物理、化學(xué)相容性好，應(yīng)盡量避免增強體與基體合金之間的有害界面反應(yīng)，并使其與基體潤濕性良好，載荷承受能力強等采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┦诡w粒在基體內(nèi)分布均勻，減少顆粒間的團聚，以改善材料受載時內(nèi)部的應(yīng)力分布，是保證復(fù)合材料具有 良好性能的關(guān)鍵之一。制備方法可分為外加顆粒和原位內(nèi)生顆粒法兩種。外加顆粒法制備鎂基復(fù)合材料的優(yōu)點是工藝簡單，但易造成顆粒表面的污染，基體和顆粒表面潤濕困難，導(dǎo)致界面強度的降低。原位內(nèi)生法是增強顆粒在金屬基體中通過原

9、位反應(yīng)形成的，因而熱力學(xué)上穩(wěn)定，顆粒表面無污染，增強體與基體潤濕性良好故界面結(jié)合強度高。原位增強體顆粒細小(通常為亞微米至微米級 )，因而與外加顆粒(通常為幾十個微米)法相比，原位顆粒增強作用更顯著。但原位反應(yīng)法的缺點是反應(yīng)過程往往不徹底，反應(yīng)過程中的中間相(亞穩(wěn)相)有時會作為有害相殘留在基體中(如 MgAlTiC體系中會生成脆性相 TiAl3)。碳化物SiC顆粒SiC的硬度高，耐磨性能好，并具有抗熱沖擊、抗氧化等性能。鎂沒有穩(wěn)定的碳化物，SiC在鎂中熱力學(xué)上是穩(wěn)定的，因此，SiC常用作鎂基復(fù)合材料的增強相，并且來源廣泛，價格便宜，用其作為增強顆粒制備鎂基復(fù)合材料具有工業(yè)化生產(chǎn)前景。SiC具有

10、SiC、SiC兩種晶體結(jié)構(gòu)，SiC為密排六方結(jié)構(gòu)，但SiC有許多變體結(jié)構(gòu)(即c值不同)，SiC為面心立方結(jié)構(gòu)。SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料是目前研究最多的鎂基復(fù)合材料之一，其制備方式主要是外加方式。常用的制備方法除攪拌鑄造法外，還有擠壓鑄造法、粉末冶金法 、噴射沉積法、復(fù)合鑄造法以及機械合金化法。其中攪拌鑄造法是制備 SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料的一種典型工藝，已有幾家公司采用攪拌鑄造法成功地開發(fā)出SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料。1986年美國 Dow Chemical公司采用攪拌鑄造法制備出SiCPAZ91，并制備出皮帶輪等樣品零件。其優(yōu)異的性能引起人們的普遍關(guān)注。而擠壓鑄造法是目前制備顆粒增強鎂基

11、復(fù)合材料最成功的工藝之一。其 中，預(yù)制塊中增強體的分布，預(yù)制塊和模具的預(yù)熱溫度，浸滲壓力大小均對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能有重要影響。表 1給出的是采用攪拌鑄造法制備的鑄態(tài)AZ91和鑄態(tài) AZ91+10 vo1SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料的常溫力學(xué)性能。從表 1可以看出與基體合金相比，復(fù)合材料的抗拉強度、延伸率下降，但彈性模量、屈服強度提高。復(fù)合材料抗拉強度減小是因為鑄態(tài)復(fù)合材料顆粒團聚，并帶有一定量的氣孔。在拉應(yīng)力作用下此處優(yōu)先形成微裂紋，從而使強度降低。表 1 鑄態(tài) AZ91、鑄態(tài) SiCMg復(fù)合材料的室溫性能表 2給出的是采用擠壓鑄造法制備的鑄態(tài)AZ91和 AZ91+20 vo1SiC鎂基復(fù)

12、合材料的力學(xué)性能。由表2可以看出，小顆粒(15m)增強的復(fù)合材料的屈服強度和抗拉強度均比大顆粒(52m)增強的復(fù)合材料要好。這是因為當(dāng)體積分?jǐn)?shù)相同時，增強相顆粒越小，粒子間距 就越小。 表 2 擠壓鑄造法制備的AZ91、SiCMg復(fù)合材料的室溫性能 鎂對 SiC具有良好的潤濕性，并且SiCPMg復(fù)合材料界面光滑，無界面反應(yīng)。采用鑄造法制備顆粒增強鎂基復(fù)合材料時，凝固過程對界面微觀結(jié)構(gòu)有著很大的影響，進而影響到復(fù)合材料的性能。然而到目前為止，關(guān)于顆粒增強鎂基復(fù)合材料的凝固過程，尤其是關(guān)于形核過程的研究較少。鎂不易形成穩(wěn)定的碳化物，所以碳化物陶瓷顆粒在純鎂中是穩(wěn)定的。然而，在含有鋁的鎂合金(如AZ

13、91)中。如果接觸時間足夠長 ，則會在這 鎂合金中發(fā)生反應(yīng)形成碳化物。如 SiC與Al會發(fā)生如下反應(yīng)： 4Al+3SiCAl4C3+3Si該反應(yīng)生成的Al4C3溶于水，因而降低鎂基復(fù)合材料的耐蝕-性能。Al4C3的形成同時伴隨Si的析出(與鎂反應(yīng)生成 Mg2Si)，這就改變了基體合金的化學(xué)成分。盡管 SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料的研究很多，但多集中于制備方法、組織和性能。關(guān)于基礎(chǔ)理論的研究較少。應(yīng)進一步開展對SiC顆粒增強鎂基復(fù)合材料的凝固理論研究。B4C顆粒B4C為菱面體站構(gòu)，高熔點、高硬度，硬度僅次于金剛石與立方氮化硼，是密度最低的陶瓷材料，熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)?，價格也較便宜。B4C顆 粒增強鎂

14、基復(fù)臺材料的制備方法有擠壓鑄造法 、粉末冶金 法、壓力浸滲法、和只適用于MgLi基體臺金的箔冶金擴散焊接法。B4C顆粒增強鎂基復(fù)合材料具有很大的應(yīng)用潛力。TiC顆粒TiC為面心立方晶格，具有高熔點、高硬度及高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點。TiC與鎂的潤濕性好于與鋁的潤濕性。且不和鎂發(fā)生界面反應(yīng)。因此，TiC是作為鎂的增強相的較佳選擇。TiC顆粒增強 鎂基復(fù)合材料的制備方法有攪拌鑄造法、機械合金化、中問臺金法和高溫自蔓延法等。硼化物TiB2顆粒TiB2是一種新型的工業(yè)陶瓷原料。具有硬度大，耐磨損，耐酸堿，導(dǎo)電性與穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性，TiB2Al復(fù)合材料得到了廣泛的研究。鎂的晶格常數(shù)為a0.320936nm，

15、c=0.52112nm，ca =16238；TiB2的晶格常數(shù)為a0.303034nm，c =0.322953nm,ca =1066。TiB2晶格排列方式與鎂的排列方式極其相似，均為密排六方結(jié)構(gòu)。因此，作為增強相來說，TiB2在與鎂的結(jié)合上有很大的有利之處。TiB顆粒TiB具有高硬度、高熔點、良好的導(dǎo)電性、抗熔融腐蝕性等，是作為鎂基復(fù)合材料增強相的較佳選擇。但是，遺憾的是對于TiB顆粒增強鎂基復(fù)合材料的研究報道很少。有關(guān)TiB顆粒增強鎂基復(fù)合材料的研究還應(yīng)繼續(xù)開展。氧化物顆粒氧化物彌散強化機制日益受到研究者的重視，過去研究者只限于制備小體積分?jǐn)?shù)的MgO增強鎂基復(fù)臺材料現(xiàn)在已有研究者制備出大體積

16、分?jǐn)?shù)MgO增強鎂基復(fù)臺材料。采用熔體浸滲法制備出30vo1Y2O3Mg復(fù)合材料，微觀組織分析表明：Y2O3在基體中分布均勻，顆粒細小(約0.88m)，并且力學(xué)性能得到很大的提高。金屬間化合物Mg2Si具有低的密度(1.99cm )、高的硬度、高的屈服強度、低的熱膨脹系數(shù)和相對較高的熔點一般采用原位內(nèi)生法制備Mg2Si顆粒增強鎂基復(fù)合材料。制備方法包括機械合金化法（MA）、快速凝固法(RS)、鑄造法和熱擠壓法等。與鎂合金相比，Mg2Si具有較高的熔點和較好的抗高溫氧化能力。Mg2Si顆粒增強鎂基復(fù)合材料可能替代鎂臺金作耐熱結(jié)構(gòu)材料，但由于Mg2Si較脆，因而又限制了該復(fù)合材料的應(yīng)用。采用MA法制

17、備的鎂基復(fù)合材料，Mg2Si顆粒尺寸最大為22nm，并且Mg2Si在 390時也處于穩(wěn)定態(tài)。具有良好的高溫性能，克服了一般納米材料不穩(wěn)定的缺點，但該方法的制備工藝復(fù)雜。Rs法制備的Mg2Si顆粒增強鎂基復(fù)合材料具有良好的室溫強度和高溫超塑性。采用鑄造法制備的鎂基復(fù)合材料Mg2Si顆粒粗大，力學(xué)性能較差，而經(jīng)過熱擠壓的鎂基復(fù)合材料Mg2Si晶粒細小，力學(xué)性能得到很大的提高。4.組織和性能4.1基體和增強顆粒的選擇純鎂不適于直接作為鎂基復(fù)合材料的基體，一般需要添加合金元素。常用的合金元素依次有鋁鋅、硅、鋰、銀、鋯、錳和稀土元素等，通常根據(jù)鎂基復(fù)合材料的使用性能選擇基體合金。用作鎂基復(fù)合材料的增強顆

18、粒主要是各種碳化物(如SiC)、氧化物(如Al2O3)、硼化物(如TiB2)以及石墨等。選擇時主要考慮顆粒的形狀與尺寸、顆粒與基體的物理、化學(xué)相容性等因素，盡量避免增強顆粒與基體合金之間的界面反應(yīng)，同時還要考慮增強顆粒的各項力學(xué)性能、物理性能以及制備成本。 近幾年有研究者嘗試采用金屬或合金顆粒作為鎂基復(fù)合材料的增強體，取得了很好的效果。一些金屬顆粒(如鈦、鎳和銅等)具有較高的模量和強度，且塑性較好，用作鎂基復(fù)合材料的增強體，不僅可以提高材料的強度等指標(biāo)，而且能夠保持與基體鎂相當(dāng)?shù)乃苄浴?.2增強顆粒對基體組織結(jié)構(gòu)的影響顆粒增強鎂基復(fù)合材料的晶粒與基體相比發(fā)生了明顯的細化現(xiàn)象。顆粒對基體的細化機

19、制可能是初生-Mg相在顆粒表面非勻質(zhì)形核及顆粒阻止-Mg相生長共同作用的結(jié)果。在相同的體積分?jǐn)?shù)的顆粒下，顆粒越細，則能滿足-Mg相非勻質(zhì)形核所要求的界面特征、錯配度和溫度條件，可成為初生-Mg相形核襯底的顆粒數(shù)量就越多，從而對基體的細化作用也越強。由于增強顆粒與基體在力學(xué)和熱力學(xué)上的不匹配，將會在界面及近界面處產(chǎn)生熱錯配殘余應(yīng)力，引起基體發(fā)生塑性流變，在基體中形成了高密度的位錯。4.3顆粒增強鎂合金的力學(xué)性能目前，對于顆粒增強金屬基包括鎂基復(fù)合材料的強化機制還沒有一個統(tǒng)一而完善的理論。普遍認為，顆粒增強復(fù)合材料強化機制主要有以下幾點：由于基體與增強體熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致材料內(nèi)產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力以及由

20、于熱殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致基體中產(chǎn)生高密度位錯；增強體的加入對基體變形的約束以及對基體中位錯運動的阻礙產(chǎn)生了強化；基體向增強體的載荷傳遞以及晶粒細化強化等。然而由于材料的強度、韌性和斷裂等力學(xué)性能與材料的原位特性有關(guān) ，對材料中的界面、缺陷等局部缺陷很敏感，屬高階性能，往往出現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，即當(dāng)幾個因素同時在材料中起作用時，材料的某些特性可能發(fā)生急劇變化。因此，不能簡單認為復(fù)合材料的高強度是上述強化因素簡單的疊加效應(yīng)。由于在制備工藝、增強相種類、參數(shù)和體積分?jǐn)?shù)以及基體合金等方面的不同，鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能有一定的差異。一般來說，加入增強顆粒后材料的硬度、屈服強度和抗拉強度提高，而伸長率則有所下降。如以

21、陶瓷顆粒作為增強體，可以獲得更高的硬度、屈服強度和抗拉強度，但伸長率下降較快；而以金屬顆粒作為增強體的復(fù)合材料，可獲得較好的塑性，這主要是因為金屬顆粒本身具有較好的塑性，而且與基體鎂的相容性良好。 與強度等力學(xué)性能相比，彈性模量屬于低階性能，對材料中的界面、缺陷等不敏感。按照簡單的混合定律，由于所加入的陶瓷或金屬顆粒增強體的彈性模量都遠高于鎂基體，因此所得到的鎂基復(fù)合材料的彈性模量均高于基體鎂或鎂合金。增強體的彈性模量越大，復(fù)合材料的彈性模量也越大，而且伴隨著增強體體積分?jǐn)?shù)的增大，上述趨勢愈加明顯。4.4顆粒增強鎂合金的阻尼性能阻尼性能通常又稱為減振性能，是一個由時間決定的與彈性相關(guān)的物理性能

22、，通常用內(nèi)耗值 Q 來表征 。在所有的金屬結(jié)構(gòu)材料中，鎂的阻尼性能最好，其 Q 值約為 0.010.02，而鋁合金、鈦合金、鋼等的阻尼值遠遠小于 0.01。因此，采用高阻尼鎂合金為基體，選擇合適的增強體，通過合理的設(shè)計，可望使復(fù)合材料最大 Q 值達到 0.01以上，獲得高阻尼、高強度和低密度的減振材料。當(dāng)溫度在 75以下，純鎂的阻尼性能要優(yōu)于 SiCp增強的鎂基復(fù)合材料；而高于75時，復(fù)合材料的阻尼性能要好于純鎂。認為在溫度較低時，鎂和 SiC的本征阻尼在起作用，鎂和SiC顆粒的阻尼為 0.02和0.002，根據(jù)混合定律，復(fù)合材料的阻能性能將小于純鎂基體；而當(dāng)溫度高于75，界面阻尼機制起主導(dǎo)作

23、用，使復(fù)合材料的阻尼性能高于純鎂。4.5耐磨性鎂合金基體中分布著強度、硬度都較高的陶瓷增強體時，增強顆粒在磨損過程中將起到支撐載荷的作用，減少鎂合金基體的粘著磨損，使鎂基復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐磨性。5.顆粒增強鎂基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢5.1由于在金屬基體內(nèi)原位生成的高硬度高彈性模量的陶瓷顆粒增強相具有表面無污染與基體相容性良好，界面結(jié)合強度高等傳統(tǒng)復(fù)合工藝無法比擬的優(yōu)點，因此，借鑒目前原位內(nèi)生顆粒增強鋁基復(fù)合材料較成熟的制備技術(shù)，探索高性能、低成本、容易大規(guī)模生產(chǎn)的原位顆粒內(nèi)生半固態(tài)鎂基復(fù)合材料制備技術(shù)將成為研究熱點之一；5.2顆粒增強鎂基復(fù)合材料熱力學(xué)及動力學(xué)的計算機模擬技術(shù)將成為研究熱點之一； 5.3控制陶瓷顆粒增強相與鎂