硼酸镁_铝_晶须增强镁基复合材料中界面特性对比研究_金培鹏

硼酸镁(铝)晶须增强镁基复合材料中

界面特性对比研究

金培鹏1,2,3,许广济1,2,丁雨田1,2,史训兵1,2,刘孝根1,2

(11兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室　甘肃兰州　730050;21甘肃兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室　甘肃兰州　730050;

31青海大学建筑工程系　青海西宁　810016)

摘　要:对硼酸镁(铝)晶须增强镁基复合材料的界面行为进行了对比研究。对复合材料进行了示差扫描量热分析以及对复合材料中萃取的晶须进行了X 射线衍射分析,表明在硼酸镁晶须增强AZ 91D 镁基复合材料。通过对硼酸镁晶须增强AZ 91D 镁基复合材料界面的键合状况进行分析和讨论,认为界面的键合是由无反应产物的化学键合、扩散键合及物理键合所组成。另外,根据已有的关于硼酸铝晶须增强镁基和铝基复合材料界面行为的研究结果,分析得出硼酸铝晶须增强镁基复合材料在硼酸铝晶须/AZ 91D 镁合金界面上的反应产物只有MgO 。关键词:镁基复合材料;晶须;界面;键合

中图分类号:TG 14 文献标识码:A 文章编号:1008-858X (2007)04-0032-05

金属基复合材料(M MC )获得强韧化取决于应力从基体转移到比较强的增强相的能力,因此,界面是金属基复合材料的重要组成部分,对M MC 的性能起到关键性作用。

对于晶须增强镁基复合材料界面研究已有一些报道。郑明毅对SiC w/AZ 91镁基复合材料的界面进行了系统研究,发现不存在Mg 、Al 、Si 等元素在碳化硅晶须与AZ 91界面的互扩散现象,即不存在界面扩散结合机制;采用硅胶或酸性磷酸铝粘结剂的SiC w/AZ 91复合材料中,SiC 晶须与AZ 91基体合金的界面反应物均为MgO 。而不采用任何粘结剂的SiC w/AZ 91复合材料中,界面干净,几乎没有任何反应物生成[1]。Sasaki G 等报道了在硼酸铝晶须增强镁基复合

材料的界面上除了MgO ,还有尖晶石(MgAl 2O 4)生成[2],但在Zheng M Y 等的研究中界面上没有发现尖晶石,界面反应产物只有MgO [3]。

关于硼酸镁晶须增强的镁基复合材料界面行为的研究尚未见到。鉴于此,本研究小组用

真空气压渗流法所制备的硼酸镁(Mg 2B 2O 5)晶须增强AZ 91D 镁基复合材料较之AZ 91D 基体合金弹性模量和抗拉强度有了明显地提高,热膨胀系数也有了显著下降[4],本文对硼酸镁晶须增强的金属基复合材料界面行为进行了系统的检测并与硼酸铝晶须增强镁基复合材料的界面行为进行了对比分析与讨论。

1　复合材料中Mg 2B 2O 5w/AZ91D

界面特性的检测

界面特性在应力传递和承载能力上扮演了非常重要的角色。因此,了解复合材料中Mg 2B 2O 5w/AZ 91D 界面的特性及键合方式对其

性能的研究有重要意义。为此,本文对复合材料

收稿日期:2007-09-03

基金项目:中科院2005年度“西部之光”人才培养计划项目“硼酸铝(镁)晶须增强镁基复合材料的应用研究”作者简介:金培鹏(1961-),男,甘肃榆中人,教授,博士,主要研究方向:镁基复合材料,复合材料力学。

第15卷　第4期2007年12月 盐湖研究JOURNA L OF S A LT LAKE RESE ARCH

V ol 115　N o 14

Dec 1　2007

中Mg 2B 2O 5w/AZ 91D 界面进行了如下的检测。111　复合材料的DSC 分析

为了进一步探讨在所制备的复合材料中是否有界面反应产物的形成,在ST A449C 型同步热分析仪上对AZ 91D 基体镁合金和所制备的复合材料进行了DSC 分析。

图1为复合材料的DSC 曲线,从图中可以看出,复合材料在420～438℃有一个平移,而在574～600℃存在一个吸热现象。为了对比,本文也给出了AZ 91D 镁合金的热分析(DSC )曲线,见图2。通过比较复合材料与基体合金的DSC 分析结果可知:平移是由于基体镁合金的

β-Mg 17Al 12相的固溶,是β-Mg 17Al 12相分解,向

α-Mg 相固溶所引起的。而吸热现象,是由于基体镁合金的熔化需要吸收热量所产生的,除此以外没有发现其他的放热、吸热峰。因而,可以认为,Mg 2B 2Ο5w/AZ 91D 复合材料在制备过程中没有发生界面反应

。

图1　铸态Mg 2B 2O 5w/AZ 91D 镁基复合材料示差扫描量热分析(DSC )曲线

Fig.1　DSC curve of as 2cast M g 2B 2O 5w/AZ 91D com posite

112　复合前后Mg 2B 2O 5的X 射线衍射分析

原始态硼酸镁晶须和1000℃焙烧3h 后硼酸镁晶须在D8ADVANCE 型X 射线衍射分析仪上进行X 射线衍射分析,X 衍射物相分析(XRD )曲线如图3所示。可以看出,Mg 2B 2O 5晶须在1000℃下热稳定性良好,焙烧没有新相生成,因而在复合材料中的界面处若有产物生成并非是由于Mg 2B 2O 5晶须分解所致

。

图2　A291D 镁合金的热分析(DSC )曲线

Fig.2　DSC curve of AZ 91D magnesium alloy

图3　硼酸镁晶须X 射线衍射图谱Fig.3　XRD patterns of the Mg 2B 2O 5whiskers (a )whisker of the original state (b )whisker sinteredqt

1000℃for 3h

将真空气压渗流法制备的复合材料用15%的盐酸萃取,将萃取的Mg 2B 2O 5晶须进行X 射线衍射分析,所得衍射图谱如图4所示。

从图谱中可以看出,萃取的Mg 2B 2O 5晶须上仅有Mg 2B

2O 5晶须的衍射峰,无其它相的存在,说

明萃取以后的晶须上无界面反应物。

图4　萃取后硼酸镁晶须的X 射线衍射图谱

Fig.4　XRD pattern of the Mg 2B 2O 5whisker extracted from the Mg 2B 2O 5w/AZ 91D com posite

33第4期 金培鹏,等:硼酸镁(铝)晶须增强镁基复合材料中界面特性对比研究