轻质高强Mg-Li基复合材料研究进展

2018年 8月下 世界有色金属217
收稿时间：
２０１８－０７基金项目：
本文系湖南有色金属职业技术学院校级课题“超细ＹＡｌ２ｐ增强镁锂基复合材料温轧及其显微组织演变规律的研究”阶段性成果。

作者简介：
王红亮，男，生于１９８８年，汉族，湖南衡阳人，硕士，研究方向：高性能金属材料制备与加工。

轻质高强Mg-Li 基复合材料研究进展
王红亮，邱智海
（湖南有色金属职业技术学院，湖南　株洲　４１２００６）
摘 要：
Ｍｇ－Ｌｉ合金因具有低密度、高比强度和比刚度、优异的吸震和抗电磁屏蔽性能，在追求轻量化的诸多工业领域具有广阔的应用前景。

但Ｍｇ－Ｌｉ合金本身强度太低，不能满足其作为结构材料的需要。

本文综述了Ｍｇ－Ｌｉ基复合材料常见的基体和增强体，同时分析了Ｍｇ－Ｌｉ基复合材料最新进展。

关键词：
Ｍｇ－Ｌｉ合金；复合材料；研究进展中图分类号：ＴＢ３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０１８）１６－０２１７－２Study of Light Mg-Li Matrix Composite
WANG Hong-liang,QIU Zhi-hai
（Ｈｕｎａｎ　ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　ｍｅｔａｌｓ　Ｃａｒｅｅｒ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１２００６，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｔｈｅ　Ｍｇ－Ｌｉ　ａｌｌｏｙｓ　ｈａｖｅ　ｇｒｅａｔ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｆｏｒ　ｕｓｅ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｆｉｅｌｄｓ　ｓｅｅｋｉｎｇ　ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅｉｒ　ｌｏｗ　
ｄｅｎｓｉｔｙ，　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ａｎｄ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ａｎｔｉ－ｓｈｏｃｋ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．　Ｈｏｗｅｖｅｒ，　ｔｈｅｉｒ　ｌｏｗ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｐｏｏｒ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｌｉｍｉｔ　ｔｈｅｉｒ　ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｒｉｘ　ａｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｍｇ－Ｌｉ　ｍａｔｒｉｘ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．
Keywords:　Ｍｇ－Ｌｉ　ａｌｌｏｙ；　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；　ｒｅｖｉｅｗ
随着国家节能减排战略的提出及全球范围内出现能源紧张问题，轻量化是未来高科技产业器件和装置一个重要的发展方向。

因此开发轻质高强材料成为目前各国科学家亟需解决的一个热点。

超轻Mg-Li 合金作为目前最轻的金属结构材料，是实现轻量化的首选材料之一。

Mg-Li 合金的密度一般为1.30-1.65g/cm 3，仅为Al 合金的50%，传统Mg 合金的75%。

Mg-Li 合金超轻的优势，这是目前任何合金所无法比拟的。

1 Mg-Li基复合材料常见基体和增强体1.1 基体合金
众所周知，复合材料的塑性相比于基体合金自身塑性下降显著，严重影响其后面的塑性加工成形。

因此国内外科学家选用塑性好的单相（β）和双相（α+β）Mg-Li 合金作为基体。

目前，研究较多的主要有Mg-8Li、Mg-9Li、Mg-10Li、Mg-12Li 等几种二元Mg-Li 合金以及Mg-8Li-3Al、Mg-11Li-3Al、Mg-14Li-1Al 三元Mg-Li-Al 合金等。

1.2 增强体
目前，很多学者开发了增强颗粒为Al 2O 3、SiC、B 等Mg-Li 基复合材料，但研究结果表明，上述增强颗粒由于与基体合金在物理特性等方面的差异悬殊而导致复合材料界面相容性不好，从而导致其塑性较差。

（1）C 纤维。

因具有低密度和高强度的特性，C 纤维是轻质高强Mg-Li 基复合材料首选增强体之一。

但研究发现，Mg-Li-C 系统的热力学性质不稳定，C 纤维与Mg-Li 合金迅速反应生成Li2C2化合物，因而严重损伤C 纤维，增强效果不是很理想[1]。

（2）Al 2O 3。

1989年，英国剑桥大学的Mason 等利用压力浸渗法制备Al 2O 3纤维增强Mg-Li 基复合材料，研究发现，由于Li 的扩散速率高、化学性质活泼易与增强相发生界面反应，如与Al 2O 3纤维中粘结剂SiO 2反应生成Mg 2Si 相，从而弱化了增强效果。

（3）B 或B4C 颗粒。

马春江等用粉末冶金法成功制备出增强颗粒B 分布均匀的Mg-14Li-B 复合材料。

但该方法工艺过程冗长、合金粉末制备困难、制备成本高。

（4）MgO/Mg 2Si 颗粒。

山东大学的卢庆亮等通过液态原位反应合成法制备MgO/Mg 2Si 颗粒增强Mg-Li 基复合材料，结果发现复合材料中增强粒子与基体界面结合良好，无反应物生成。

（5）SiC 晶须。

SiC 是复合材料中常用的增强体。

马春江等采用真空浸渗法成功制备出SiC 晶须增强Mg-Li 基复合材料，结果表明合金的抗拉强度显著提高，但塑性下降显著且增强相的含量不易控制[2]。

（6）YAl 2颗粒。

北京航空航天大学王素洁等从金属间化合物特性入手利用搅拌铸造法制备了5wt.% YAl 2/Mg-Li 复合材料。

研究了复合材料界面、组织特征和室温力学性能，结果表明，YAl 2颗粒在基体中分布均匀，界面平整没有明显的界面反应，提高了合金的力学性能[3]。

1.3 常见Mg-Li 基复合材料力学性能
经过查阅相关资料，列出了几种常见的Mg-Li 基复合材料力学性能（见表1）。

经对比分析，发现复合材料抗拉强
世界有色金属 2018年 8月下
218[1] 卢庆亮,于化顺,闵光辉,等.MgO/Mg2Si 增强Mg-Li 基复合材料的
界面结构[J].稀有金属材料与工程,2005,34(9):1427-1429.
[2] 马春江,张获.镁锂基复合材料界面结构及热力学分析[J].稀有金
属,1999,23(6):401-404.
[3] 王素洁,吴国清,李瑞华,等.5wt%YAl2p/Mg-Li 复合材料的组织与
性能的研究[J].航空材料学报
,2007,27(1):20-22.
度随着增强体数量的增加而增加，但其塑性却显著降低，限制了其作为结构材料的应用。

表1 几种典型的Mg-Li 基复合材料力学性能
基体合
金
增强相
体积分数(%)抗拉强度(MPa)延伸率(%)显微硬度(HV)弹性模量(GPa)Mg-12Li
Al 2O 3短
纤维075>10354512210 2.896－
SiC晶须
24280 2.0－－
20200 1.43－69Mg-9Li B 4C颗粒
011055－45.4
516213－49M g -14.1Li B颗粒
0180*－－50.210214*－－68.120220*－－79.3
30244*－－101.1
注：*为压缩屈服强度。

2 Mg-Li基复合材料最新研究进展
Al 2O 3纤维、B 4C 颗粒、B 颗粒、SiC 晶须等增强相可以提高Mg-Li 合金的强度，但是增强效果有限或塑性下降显著，难以满足工程化应用需求。

研究发现，随着增强体粒径的减小，复合材料的强化机制会发生改变，进而影响复合材料的性能。

Ramakrishna 等同时考虑载荷传递强化和位错强化两种因素的影响，建立了微米颗粒增强金属基复合材料的屈服强度预测模型。

结果发现，该模型的预测值与实验值比较吻合，SiC p /Al 基复合材料的屈服强度随增强体粒径的减小而提高，当SiC 尺寸减小到一定限度时，复合材料的预测屈服强度近似呈指数增长。

但该模型只适用于微米颗粒增强复合材料，对亚微米及纳米颗粒增强不适用。

近来北京航空航天大学吴国清课题组等开发了超细颗粒YAl 2/Mg-Li 基复合材料，发现YAl 2与Mg-Li 基体合金具有良好的界面相容性，同时超细颗粒突破了原有的强化模式，在显著提高Mg-Li 基复合材料强度的同时保持了较好的塑性，有效提高了Mg-Li 基复合材料的综合力学性能。

3 结语
Mg-Li 合金具有高比强度、比刚度及良好的抗电磁屏蔽性等优点在轻量化领域具有广阔的应用前景。

但因其绝对强度低限制了其应用，而复合强化是一个不错的强化手段。

本文系统分析了Mg-Li 基复合材料的研究状况，发现Mg-Li 基复合材料也存在复合材料的一些通病，比如界面反应、制备工艺复杂、成本高等。

此外发现超细颗粒可以显著提高复合材料强度的同时还可以保持其较好塑性。

这为后面研究Mg-Li 基复合材料提供一些参考和方向。

（上接216页)
在典型的相分离实验中因为AU 和Cu 的比值较大，即使在进行相分离实验室的比例只占原始比例中很小的一部分，但是也足以证明含有过量铁元素的的岩浆流体在流经能够成矿的金元素时，能够将这种金元素运送到低温环境中，从而形成典型的浅成低温热液贵金属矿场。

从矿质的运移和积累这一方面进行分析，金这种元素比较稳定，其可以和一些物质结合成为化合物，或者随着热蒸气进行移动。

最近就有科学家提出了在火山喷发时发出的热气可能会使金属元素发生移动，金元素在能够以不同的形式进行转移，同时也决定了其在浅层低温热液环境中有多种不同的沉淀方式。

因为在形成浅成低温热液的贵金属矿床时，不同的外力作用会使形成的贵金属矿床有高硫化型和低硫化型之分，因此这两种不同的贵金属矿床形成的矿质沉淀机制也是不相同的，这是因为溶液在受热沸腾时，会将本身所带有的复杂无关气体进行释放，促进银元素和金元素等贵重金属元素的析出。

而高硫化型矿床的形成则是由于流体的混合作用。

3 矿质的来源分析
浅成低温热液贵金属矿床中包含了众多的金属元素，这些金属元素有些是火山在进行喷发时直接释放溶解在熔浆中的。

4 浅成低温热液贵金属矿床的形成与碱性岩和斑岩
型矿床之间的具体关系
在世界众多的贵金属矿床中全部都是出自甲质钙盐或者碱性盐中，但是在浅成低温热液的贵金属矿床中只有低硫化型矿床，几乎没有高硫化型矿床。

在与低硫化型矿床有关的碱性盐中基本都具有高钾、高氧化性等特征，而在与贵金属形成有关的浅层矿床中通常会出现较多的缔化物，而在这些碲化物中最为常见的就是含金碲化物。

有科学家进行猜测贵金属矿床的形成和斑岩型的矿床有关，原因是斑岩型的矿床在受热时容易沸腾，从而使得周围环境中的金银元素溶解在这种沸腾的斑岩型矿床溶液中，在流动过程中又因其密度高遇冷就会在母岩周围形成了富含金银化合物的沉淀，随着沉淀的不断积累就会形成相应的贵金属矿床[2]。

5 结语
浅成低温热液贵金属矿床的发现与研究是国际上广泛关注的大事。

最近几年经过科学家的不懈努力，在形成矿床的地球环境、成矿岩浆的特殊背景、矿床形成的重要基理等方面取得了不小的突破，这为今后对贵金属矿床的寻找和保护提供了制定相关方案的依据。

本文在浅成低温热液贵金属的分类及其形成的宏观和微观方面进行了详细的介绍，希望能够为相关读者提供相应的帮助。

[1] 毛光武,曹亮,严卸平,等．浅成低温热液型金矿床研究综述[J]．地质
找矿论丛、2015,30(1)．[2] 沙德鸣,苑丽华．浅成低温热液型金矿特点、分布和找矿前景[J]．地质
与资源
,2003,12(2)．。