輕質(zhì)高強(qiáng)Mg-Li基復(fù)合材料研究進(jìn)展

王紅亮，邱智海

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006）

隨著國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的提出及全球范圍內(nèi)出現(xiàn)能源緊張問(wèn)題，輕量化是未來(lái)高科技產(chǎn)業(yè)器件和裝置一個(gè)重要的發(fā)展方向。因此開(kāi)發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)材料成為目前各國(guó)科學(xué)家亟需解決的一個(gè)熱點(diǎn)。超輕Mg-Li合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，是實(shí)現(xiàn)輕量化的首選材料之一。Mg-Li合金的密度一般為1.30-1.65g/cm3，僅為Al合金的50%，傳統(tǒng)Mg合金的75%。Mg-Li合金超輕的優(yōu)勢(shì)，這是目前任何合金所無(wú)法比擬的。

1 Mg-Li基復(fù)合材料常見(jiàn)基體和增強(qiáng)體

1.1 基體合金

眾所周知，復(fù)合材料的塑性相比于基體合金自身塑性下降顯著，嚴(yán)重影響其后面的塑性加工成形。因此國(guó)內(nèi)外科學(xué)家選用塑性好的單相（β）和雙相（α+β）Mg-Li合金作為基體。目前，研究較多的主要有Mg-8Li、Mg-9Li、Mg-10Li、Mg-12Li等幾種二元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 增強(qiáng)體

目前，很多學(xué)者開(kāi)發(fā)了增強(qiáng)顆粒為Al2O3、SiC、B等Mg-Li基復(fù)合材料，但研究結(jié)果表明，上述增強(qiáng)顆粒由于與基體合金在物理特性等方面的差異懸殊而導(dǎo)致復(fù)合材料界面相容性不好，從而導(dǎo)致其塑性較差。

（1）C纖維。因具有低密度和高強(qiáng)度的特性，C纖維是輕質(zhì)高強(qiáng)Mg-Li基復(fù)合材料首選增強(qiáng)體之一。但研究發(fā)現(xiàn)，Mg-Li-C系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，C纖維與Mg-Li合金迅速反應(yīng)生成Li2C2化合物，因而嚴(yán)重?fù)p傷C纖維，增強(qiáng)效果不是很理想[1]。

（2）Al2O3。1989年，英國(guó)劍橋大學(xué)的Mason等利用壓力浸滲法制備Al2O3纖維增強(qiáng)Mg-Li基復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，由于Li的擴(kuò)散速率高、化學(xué)性質(zhì)活潑易與增強(qiáng)相發(fā)生界面反應(yīng)，如與Al2O3纖維中粘結(jié)劑SiO2反應(yīng)生成Mg2Si相，從而弱化了增強(qiáng)效果。

（3）B或B4C顆粒。馬春江等用粉末冶金法成功制備出增強(qiáng)顆粒B分布均勻的Mg-14Li-B復(fù)合材料。但該方法工藝過(guò)程冗長(zhǎng)、合金粉末制備困難、制備成本高。

（4）MgO/Mg2Si顆粒。山東大學(xué)的盧慶亮等通過(guò)液態(tài)原位反應(yīng)合成法制備MgO/Mg2Si顆粒增強(qiáng)Mg-Li基復(fù)合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中增強(qiáng)粒子與基體界面結(jié)合良好，無(wú)反應(yīng)物生成。

（5）SiC晶須。SiC是復(fù)合材料中常用的增強(qiáng)體。馬春江等采用真空浸滲法成功制備出SiC晶須增強(qiáng)Mg-Li基復(fù)合材料，結(jié)果表明合金的抗拉強(qiáng)度顯著提高，但塑性下降顯著且增強(qiáng)相的含量不易控制[2]。

（6）YAl2顆粒。北京航空航天大學(xué)王素潔等從金屬間化合物特性入手利用攪拌鑄造法制備了5wt.% YAl2/Mg-Li復(fù)合材料。研究了復(fù)合材料界面、組織特征和室溫力學(xué)性能，結(jié)果表明，YAl2顆粒在基體中分布均勻，界面平整沒(méi)有明顯的界面反應(yīng)，提高了合金的力學(xué)性能[3]。

1.3 常見(jiàn)Mg-Li基復(fù)合材料力學(xué)性能

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料，列出了幾種常見(jiàn)的Mg-Li基復(fù)合材料力學(xué)性能（見(jiàn)表1）。經(jīng)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度隨著增強(qiáng)體數(shù)量的增加而增加，但其塑性卻顯著降低，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。

表1 幾種典型的Mg-Li基復(fù)合材料力學(xué)性能

2 Mg-Li基復(fù)合材料最新研究進(jìn)展

Al2O3纖維、B4C顆粒、B顆粒、SiC晶須等增強(qiáng)相可以提高M(jìn)g-Li合金的強(qiáng)度，但是增強(qiáng)效果有限或塑性下降顯著，難以滿足工程化應(yīng)用需求。研究發(fā)現(xiàn)，隨著增強(qiáng)體粒徑的減小，復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響復(fù)合材料的性能。Ramakrishna等同時(shí)考慮載荷傳遞強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化兩種因素的影響，建立了微米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值比較吻合，SiCp/Al基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度隨增強(qiáng)體粒徑的減小而提高，當(dāng)SiC尺寸減小到一定限度時(shí)，復(fù)合材料的預(yù)測(cè)屈服強(qiáng)度近似呈指數(shù)增長(zhǎng)。但該模型只適用于微米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，對(duì)亞微米及納米顆粒增強(qiáng)不適用。

近來(lái)北京航空航天大學(xué)吳國(guó)清課題組等開(kāi)發(fā)了超細(xì)顆粒YAl2/Mg-Li基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)YAl2與Mg-Li基體合金具有良好的界面相容性，同時(shí)超細(xì)顆粒突破了原有的強(qiáng)化模式，在顯著提高M(jìn)g-Li基復(fù)合材料強(qiáng)度的同時(shí)保持了較好的塑性，有效提高了Mg-Li基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。

3 結(jié)語(yǔ)

Mg-Li合金具有高比強(qiáng)度、比剛度及良好的抗電磁屏蔽性等優(yōu)點(diǎn)在輕量化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但因其絕對(duì)強(qiáng)度低限制了其應(yīng)用，而復(fù)合強(qiáng)化是一個(gè)不錯(cuò)的強(qiáng)化手段。本文系統(tǒng)分析了Mg-Li基復(fù)合材料的研究狀況，發(fā)現(xiàn)Mg-Li基復(fù)合材料也存在復(fù)合材料的一些通病，比如界面反應(yīng)、制備工藝復(fù)雜、成本高等。此外發(fā)現(xiàn)超細(xì)顆?？梢燥@著提高復(fù)合材料強(qiáng)度的同時(shí)還可以保持其較好塑性。這為后面研究Mg-Li基復(fù)合材料提供一些參考和方向。