自然辩证法大作业

浅谈镁基复合材料制备方法及其现状

摘要介绍了镁基复合材料传统的及现代的制备方法、以及各种方法的优缺点和对该材料性能的影响，并对该复合材料的新型制备技术发展提出了看法并进行了展望。

关键词镁基复合材料制备方法界面反应

引言

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。镁基复合材料由于具有低的密度、高的比强度和比模量、良好的耐磨性能和减震性能等优点,在航空航天及汽车工业中具有广阔的应用前景[1,2]。由于镁基复合材料的力学性能、应用和制造成本等在很大程度上取决于其制备技术，因此，镁基复合材料的制备技术是目前国内外研究较多的一个领域。由于镁的熔点较低、易燃、易氧化和化学活性高等特点，常用的金属基复合材料的制备方法不能完全适用于制备镁基复合材料。所以，国内外工作者根据镁基复合材料的特点，参考金属基复合材料的制备工艺，尝试了许多适合镁基复合材料的制备技术。

1.镁基复合材料的组成及界面反应

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。基体镁合金可分为3类：室温铸造镁合金、高温铸造镁合金及锻造镁合金。基体的选择要考虑基体合金的性能，另外基体与增强体的浸润性及界面反应,在选择基体时也必须给予相当重视。常用基体合金目前主要有Mg-Mn、Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Zr、Mg-Li 和Mg-RE，此外，还有于较高温度下工作的2个合金系Mg-Ag 和Mg-Y。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。

在选择增强相的时候，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过度反应等。在制备镁基复合材料的过程中常用的增强相主要有：Ti纤维、C纤维、B纤维、Al2O3短纤维、SiC晶须、B4C颗粒、SiC颗粒和Al2O3颗粒等[3]。由于

镁及镁合金比铝及铝合金化学性质更活泼，因而所用增强相与铝基复合材料不尽相同。C纤维高强、低密度的特性使其理应是镁基复合材料最理想的增强相之一。虽然C与纯镁不反应，但却与镁合金中的A1、Li等反应，可生成A14C3、Li2C2化合物，严重损伤碳纤维[4]。研究发现B4C、SiC与镁不反应[5,6]，但B4C颗粒表面的玻璃态B2O3与Mg能够发生界面反应：4Mg(1)+B2O3(1)=MgB2(s)+3MgO(s)，MgB2的产生促使液态Mg对B4C颗粒的润湿性相应增大，所以这种反应不但不降低界面结合强度，反而可使复合材料具有优异的力学性能[3,7]。因此SiC和B4C晶须或颗粒是适合于镁基复合材料的增强相。

2.镁基复合材料的制备方法

镁基复合材料的制备工艺与铝基复合材料基本相似，但与铝合金不同的是镁合金基体化学性质很活泼，所以其制备过程中的高温阶段都需要真空、惰性气氛、CO2+SF6混合气体保护，以防止氧化。其制备方法主要有搅拌铸造法、挤压铸造法、粉末冶金法、熔体浸渗法、气体注射法、喷射沉积法、原位合成法等。

2.1搅拌铸造法

搅拌铸造法是制备颗粒增强金属基复合材料的一种典型工艺，通过机械搅拌或电磁搅拌等方法，使增强相充分弥散到镁基熔体中，最终浇注或挤压成形。该法制备的复合材料，在颗粒分布和气孔率方面优于全液态铸造和半固态铸造方法。运用搅拌铸造法可以制备出颗粒/晶须增强镁基复合材料。这种制造技术以及随后的热挤压工艺生产出来的镁基复合材料，所得到的材料晶粒尺寸要比常规铸造条件下的小得多。搅拌铸造法设备简单、生产效率高，但铸造气孔较多，颗粒分布不均匀，易偏聚。

2.2挤压铸造法

挤压铸造法通常包括两个阶段：（1）增强物经加压成型或抽吸成型制成预制件；（2）将加热的预制件放入热态挤压模中，浇入液态镁合金后加压使熔融镁合金浸渗到预制件中，保压一定时间使之凝固，脱模后即得镁基复合材料。挤压铸造法的特点：工艺简单、成本低、产量高。由于采用高压浸渗，克服了增强体与基体不润滑的现象，保证了基体与增强体的连接，且消除了气孔，缩孔等铸造缺陷。但不适合制备形状复杂的零件[8]。

2.3粉末冶金法

首先将镁合金制成粉末，然后与增强相颗粒混合均匀，放入模具中压制成型，最后热压烧结，使增强相与基体合金复合为一体[8]，该方法与常规粉末冶金法差别不大，只是镁合金的制粉过程需要防氧化保护。通过不同的粉末冶金条件制备的镁基复合材料的结构与性能也是不同的。一般情况下，增强相颗粒尺寸增大，复合材料的屈服强度和抗拉强度降低。机械合金化工艺也能用于制备镁基复合材料，工艺原理同粉末冶金方法有些类似。这种工艺方法制备得到的镁基复合材料，颗粒增强相能够在镁基体中均匀弥散分布。利用粉末冶金工艺和机械合金化工艺都可以制备出具有优良储氢性能的镁基复合材料[9]。粉末冶金法制备的复合材料增强体分布均匀，体积分数任意可调，但工艺设备复杂，小批量成本高。

2.4 熔体浸渗法

熔体浸渗法的原理是通过压力，将熔融的镁合金渗入到陶瓷纤维中。氧化铝纤维、SiC晶须以及碳纤维等增强的镁基复合材料，均可用真空浸渗技术方法进行制备[10]。利用挤压铸造方法制备连续纤维复合材料，可以发现在压力冲击过程中存在着纤维移动现象。通过压力浸渗方法得到的镁基复合材料，一般情况下硬度和抗拉强度要优于基体合金，但进行热处理后，由于降低了界面强度，使复合材料的强度比未热处理的基体合金有所降低。

2.5 流变铸造法

颗粒增强镁基复合材料出现于20世纪60年代,研究人员将镀镍层的铅粉在N2气氛保护下注射到铝合金熔融体中,然后匀速冷却固化,最终得到一种分布非常均匀的合金铸体。该方法常常被用来制备镁基复合材料,一般是将不同粒径的SiC 和Al2O3颗粒在载气Ar和N2承载下通过管子或者是潜在熔体表面下的针状管进入熔融的AZ91合金中(约720～730℃),在SiC不团聚时提高材料的强度和弹性模量。

2.6 喷射沉积法

在该工艺中，首先使液态镁合金在高压惰性气体喷射下雾化，形成熔融镁合金喷射流，同时将颗粒喷入熔融的镁合金射流中，使液固两相颗粒混合并共同沉积到经预处理的衬底上，最终凝固得到颗粒增强的镁基复合材料。该法制备的复合材料颗粒在基体中分布均匀、无偏聚、凝固迅速、无界面反应[8]。由于颗粒与金属界面属机械结合，抗拉强度有待进一步提高。另外制备的复合材料一般存在孔洞，不适合生产近尺寸零件。