镁基复合材料制备技术、性能及应用发展概况汇总

镁基复合材料制备技术、性能及应用发展概况

摘要：镁基复合材料因其轻量化和高性能而成为当今高新技术领域中最富竞争力和最有希望采用的复合材料之一。大致笔述了常用镁基复合材料研究概况、制备技术、性能及应用前景。

关键词：镁基复合材料制备技术性能应用

Fabrication，Properties and Application of M agnesium—matrix CompositesDONG Qun CHEN Liqing ZHAO Mingjiu BI Jing(Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)Abstract Magnesium—matrix composites with lightweight and high performance are becoming one of themost competitive and promising candidates in the applications of high—tech fields．An overview is made on the fabri—ating techniques，mechanical properties and applications for the typical magnesium—matrix composites，and theresearch trend is proposedKey words magnesium matrix composite，fabrication，properties，application.

0引言：

镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料【E1】，主要特点是密度低、比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；此外，还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；在航空航天、军工产品制造、汽车以及电子封装等领域中具有巨大的应用前景。构成镁基复合材料的基体合金主要分为铸造、变形和超轻等系列。铸造系包括Mg—AI、Mg—Zn、Mg—AI—Zn、Mg—Zn—Zr、Mg—Zn—Zr—RE等，侧重于制备铸造镁基复合材料；变形系包括Mg—Mn、Mg —AI—Zn、Mg—Zn—Zr、Mg—RE等，偏重于挤压性能的复合材料应用；Mg—Li系是目前最轻质的合金系，具有较强的抗高能粒子穿透能力，以及能显著降低构件重量、节约能量和满足某些高性能的要求。增强体可以分为颗粒、晶须、纤维等几种，增强体的选择要从复合材料应用情况、制备方法以及增强体的成本等诸多方面综合考虑。其中，界面相容性和界面间存在的可能反应类型是镁基复合材料制备过程中首先要考虑的问题。本文将从镁基复合材料中界面反应类型与润湿性、制备技术、组织性能和应用等几个方面对镁基复合材料发展概况进行介绍，并对其今后发展前景进行展望。

1》镁基复合材料中界面反应与润湿性

镁基复合材料中可能存在的界面反应类型主要与基体种类和增强相类型以及所采用的制备方法有关。尤其是在镁中加入Al或镁合金本身含Al元素时，界面间存在的反应情况变得异常复杂。如表1所列，镁基体中Al主要与增强体中的氧化物和碳起化学反应，生成一些不利于材料性能的界面相，但有时这些界面相也能起到改善润湿性的作用。

有研究认为【2】，SiC ／Mg间存在界面反应可使固液界面能降低；Mg在700℃时表面张力较小，约为的1／2，这将促使SiC 在Mg基体中均匀分布；也有报道称TiC 在纯Mg中比在纯铝中分布更为均匀【3】。有关B4C与Mg间的物理润湿性和界面化学相容性的研究结果表明【4，5】，Mg对B4C具有良好的润湿性，是一种较好的增强相。SiC和TiC等碳化物常被用作镁基复合材料的增强体，主要是由于Mg不易形成稳定的碳化物以及这些碳化物具有较高的强度及化学稳定性。如果Mg合金中含有Al元素，与碳化物接触时间长时，则会在这些镁合金中起反应形成A14C3，在界面处进一步形成MgA1204尖晶石，从而改变合金的化学成分，影响复合材料腐蚀性能。此外，界面反应物存在使复合材料在铸造过程中流动性降低【6】。

石墨纤维增强镁基复合材料(Gr~／Mg)具有低密度、高比强度和比刚度等优良的力学性能，并可按照不同纤维含量设计出热膨胀系数在较宽温度范围内保持为零的材料。早在1972年，就有人采用热压工艺制备了Gr~／Mg复合材料。熔融镁不能直接浸润无涂层的石墨纤维，经采用等离子喷涂或物理气相沉积钛及化学镀镍等预先涂覆石墨纤维，均证明与熔融镁问有良好的润湿性。由于钛的密度较低、熔点较高以及与镁不会形成脆性金属间化合物，故可以采用物理气相沉积。由于Gr~／Mg复合材料存在制备工艺复杂等缺点而使人们更多地倾向于不连续增强镁基复合材料的研究。

表1 镁基复合材料常用增强体及部分界面反应

类

型

增强体存在反应说明

纤维Gr 3C+G 4A1(Li))→ Al4C3(Li2C2) 特别是合金含有Li，将危害界面Ti Ti不溶于镁，无反应Ti对Mg有良好的润湿性、增强

作用

B Mg+2B—MgB 产物具有良好润湿性A1203 3Mg+ A120。一2AI+3MgO 界面反应程度成为关键

颗粒

4Mg(1)+B20。(1)一

MgB2(s)+3MgO(s)

产物利于润湿，有利于界面结合SiC

Mg和SiC生成金属间化合物

产物降低固液界面能，有利于润

湿

4A1+3SiC—A1．C。+3Si 产物易于水解。降低材料耐蚀性Al203(SiO2

）

3Mg+AI20。一2AJ+3MgC

3Mg+4A120 一2A1+3MgA12O

生成大量的尖晶石将改变合金成

分

2Mg+Si02一si+2Mg0，

Mg+Si'-'Mg2Si

产物将危害界面

Ti，TiC，TiB2，TiN，A1N等

晶

须

AI203·B203，SiC，B4C，K2TiO3，A120 反应基本与颗粒相同

2》镁基复合材料的制备技术

镁基复合材料制备方法主要分为粉末冶金法、铸造法、熔体浸渗法、喷射法、薄膜

冶金法以及原位合成技术等。但在选择具体制备工艺时应考虑增强体与基体的性能，不同

制备工艺所获得的复合材料性能也不尽相同，有时差异很大。

2．1 .粉末冶金法(PM法)

PM工艺是较早用来制备镁基复合材料的【7】。其特点是：对基体合金种类和增强体类型以及体积含量没有严格限制，通过粉末混合工艺可以使陶瓷颗粒在基体中达到分布均匀。但此工艺设备复杂、成本偏高，不易制备形状复杂的零件；对于极细的颗粒增强体以及晶须等，还要利用特殊的分散技术以达到均匀混合的目的；粉末冶金热压态复合材料一般都需要经过挤压、轧制或锻造等二次成型后才能使用。该法在制备A1基复合材料中得到了成功应用，尽管镁的化学活泼性高，但通过适当的气氛保护后PM 法同样适用于镁基复合材料的制备。