鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

陳小偉，張保豐，馬志國(guó)，李嘉熙

(1.黃河科技學(xué)院 工學(xué)部，河南 鄭州 450063; 2.鄭州市纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450063)

金屬基復(fù)合材料既具有金屬的特性，又具有陶瓷的特性，相比傳統(tǒng)金屬材料來(lái)說(shuō)具有優(yōu)異的力學(xué)和物理性能，具有較大的材料設(shè)計(jì)自由度，逐漸成為國(guó)內(nèi)外材料工作者研究的重點(diǎn)課題。繼鋁基復(fù)合材料后，鎂基復(fù)合材料是又一具有競(jìng)爭(zhēng)力的輕金屬基復(fù)合材料，在航空航天、汽車、核工業(yè)及電子封裝等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

1 鎂基復(fù)合材料常用制備方法

鎂基復(fù)合材料常用的制備方法有攪拌鑄造法、熔體浸滲法、粉末冶金法、原位反應(yīng)自生法及噴射沉積法等多種[1]。

1.1 攪拌鑄造法

固態(tài)攪拌鑄造法一般分為液態(tài)攪拌鑄造、半固態(tài)攪拌鑄造和流變鑄造，是在機(jī)械攪拌作用下，把增強(qiáng)體強(qiáng)制引入由攪拌引起的基體熔體漩渦，使增強(qiáng)體充分彌散到基體熔體中。液態(tài)攪拌鑄造法在攪拌過(guò)程中由于產(chǎn)生負(fù)壓容易吸氣而形氣孔。半固態(tài)攪拌鑄造可以降低凝固收縮和宏觀偏析，增強(qiáng)相分布也比較均勻，而且該工藝成型溫度較低，可以避免高溫氧化燒損，是最有希望應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的工藝。流變鑄造是在半固態(tài)下加入增強(qiáng)相，升溫至液相線以上后攪拌，然后再冷卻澆注的生產(chǎn)工藝。

S.Jayalakshimi[2]等用攪拌鑄造法制備了A12O3纖維/AM l00鎂合金基復(fù)合材料，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明材料呈脆性斷裂，強(qiáng)度略有降低，分析其原因主要是由于鑄造過(guò)程中出現(xiàn)了如偏聚、孔洞等缺陷所致。常海[3]等人利用半固態(tài)攪拌鑄造法制備了短碳纖維/AZ91鎂合金復(fù)合材料，制備的復(fù)合材料經(jīng)熱擠壓后碳纖維沿?cái)D壓方向定向排列，強(qiáng)度隨碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而增加。

1.2 熔體浸滲法

熔體浸滲法包括壓力浸滲、無(wú)壓浸滲和負(fù)壓浸滲[1]。壓力浸滲是把金屬基體熔體倒入預(yù)先成形增強(qiáng)相形體中，然后施加一定壓力，使熔體浸滲到預(yù)制坯體間隙從而達(dá)到復(fù)合的目的。無(wú)壓浸滲是將金屬基體熔體倒入預(yù)制增強(qiáng)相坯體后，不施加任何壓力，僅靠單純毛細(xì)滲透制得的復(fù)合材料。負(fù)壓滲透是靠增強(qiáng)相預(yù)制塊造成的真空環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬熔體的浸滲。熔體浸滲法的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)合材料中增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)不受其在金屬基體中固溶度的限制，但不可避免出現(xiàn)基體與加入相界面潤(rùn)濕不完全的現(xiàn)象。

Mingyi Zheng[4]等利用壓力浸滲法制備了性能良好的硼酸鋁晶須/AZ9l鎂合金基復(fù)合材料。金頭男[5]等利用壓力浸滲法成功制備了SiCw+B4Cp/AZ91鎂合金復(fù)合材料。Hu Lianxi[6]等利用熔體浸滲法制備了SiCw/ZK51A鎂合金基復(fù)合材料，制備過(guò)程中先經(jīng)低壓浸滲完全后又在高壓下進(jìn)行壓制成型，研究結(jié)果顯示該材料力學(xué)性能優(yōu)良。

1.3 粉末冶金法

粉末冶金法是目前制備鎂基復(fù)合材料常用方法之一，該方法是把增強(qiáng)相和鎂基體粉末進(jìn)行機(jī)械混合后在模具中冷壓制成坯體，之后在真空狀態(tài)下加熱至固-液兩相區(qū)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，最終成型的一種制備工藝。粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)體類型不受限制，可以在鎂基體內(nèi)均勻分布，避免鑄造中出現(xiàn)成分偏析，增強(qiáng)體與基體成分可以任意配比，制備過(guò)程溫度較低，可以避免高溫氧化等現(xiàn)象。但粉末冶金法工藝和設(shè)備復(fù)雜，成本也比較高，也不適合用來(lái)制備形狀復(fù)雜的零件。

任富忠[7]等制備了碳纖維/鎂基復(fù)合材料，碳纖維經(jīng)過(guò)鍍鎳處理后與鎂界面結(jié)合良好，抗拉強(qiáng)度比純鎂的提高了13%。郗雨林[8]等進(jìn)行了SiC和TC4增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究，選用MB15鎂合金作為基體材料，研究結(jié)果表明添加SiC和TC4均提高了基體材料的強(qiáng)度。張斌[9]等利用粉末觸變法制備了石墨烯/ZK61鎂合金基復(fù)合材料，該課題組為解決石墨烯團(tuán)聚問(wèn)題，在粉體混合之前，用冰乙酸對(duì)鎂合金粉末進(jìn)行處理，使其形成金屬陽(yáng)離子，與氧化石墨烯負(fù)離子靜電相吸，解決石墨烯團(tuán)聚問(wèn)題，隨后將混合均勻的粉末通過(guò)粉末冶金法制備成復(fù)合材料。沈金龍[10]等人采用粉末冶金的方法成功制備了多壁碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。

1.4 熱擠壓法

熱擠壓法制備鎂基復(fù)合材料是將鎂粉體材料和增強(qiáng)相經(jīng)過(guò)機(jī)械混合后，通過(guò)采用熱擠壓的方式制備復(fù)合材料。該方法可以降低鎂的燒損率，改善增強(qiáng)相的分布，從而改善復(fù)合材料的性能，

魏帥虎[11]等采用多道次熱擠壓技術(shù)制備了Al2O3/AZ31鎂合金基復(fù)合材料，研究了擠壓道次對(duì)復(fù)合材料組織和性能的影響。經(jīng)過(guò)多道次熱擠壓成型的復(fù)合材料，Al2O3顆粒均勻地分布在AZ31鎂合金基體中，復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度都得到顯著提高。

1.5 噴射沉積法

噴射沉積法是把液態(tài)金屬在高壓惰性氣體噴射下霧化，形成熔融的金屬噴射流，同時(shí)將增強(qiáng)相顆粒噴入射流中，使固、液兩相混合并共同沉積到經(jīng)預(yù)處理的襯底上，快速凝固得到鎂基復(fù)合材料[12]。利用噴射沉積法制備的復(fù)合材料增強(qiáng)相分布均勻，晶粒細(xì)小，但孔隙率較高，需二次加工。

K.F.Ho[13]等利用噴射沉積制備了銅顆粒增強(qiáng)AZ91鎂合金基復(fù)合材料，隨后又進(jìn)行了熱擠壓加工，研究結(jié)果顯示復(fù)合材料的力學(xué)性能得到明顯改善。C.Y.H.Lim[14]等利用噴射沉積法制備了鎂與納米Al2O3組成的復(fù)合材料，研究了該復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

1.6 原位反應(yīng)自生法

原位反應(yīng)自生法是在制備金屬基復(fù)合材料的過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)形成增強(qiáng)相的工藝。該法制備的復(fù)合材料其增強(qiáng)相與基體的相容性好，分布均勻，是目前金屬基復(fù)合材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但反應(yīng)物的選擇和工藝控制仍然是個(gè)難點(diǎn)。

Q.Dong[15]等利用原位反應(yīng)自生法制備了TiC/Mg基復(fù)合材料。復(fù)合材料以單相的Ti與C為添加元素加入熔融的鎂液，使Ti和C發(fā)生反應(yīng)形成TiC，從而形成TiC/Mg基復(fù)合材料。陳曉[16]利用原位反應(yīng)自生法制備了TiC、MgO和Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。

1.7 注射成型法

注射成型技術(shù)是將低熔點(diǎn)合金進(jìn)行熔化后，以高速、高壓把熔體注射入金屬模具內(nèi)成形的技術(shù)。近年來(lái)，在鎂合金產(chǎn)品成型中不斷得到應(yīng)用。張婷[17]等人利用觸變注射成形法制備石墨烯納米片(GNPs)/AZ91鎂合金基復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料的微觀組織進(jìn)行了觀察，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果顯示，GNPs與基體結(jié)合良好，GNPs能夠細(xì)化晶粒、減少孔隙率，明顯提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。

2 鎂基復(fù)合材料常用增強(qiáng)相

鎂基復(fù)合材料主要由鎂基體、增強(qiáng)相以及基體與增強(qiáng)相之間的接觸面-界面組成。增強(qiáng)體主要有碳系材料、Al2O3顆粒或短纖維、SiC晶須或顆粒、B4C顆粒等。

2.1 碳系材料

作為碳系材料的碳纖維、碳納米管、石墨烯等，由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能，已成為復(fù)合材料優(yōu)先考慮添加的增強(qiáng)相之一。

李坤[18]等通過(guò)Sol-Gel法在碳纖維表面制備了均勻的、無(wú)裂紋的SiO2涂層，利用涂層后的碳纖維制備了鎂基復(fù)合材料，研究表明SiO2涂層改善了Mg對(duì)碳纖維的潤(rùn)濕能力。Reischer等[19]利用液態(tài)浸滲法制備了碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，碳纖維經(jīng)過(guò)BN涂層處理后與鎂有很好潤(rùn)濕性，制得的復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異。楊釗[20]等人將AZ31鎂合金屑與短碳纖維(SCFs)采用機(jī)械混合后進(jìn)行熱壓，隨后在不同溫度進(jìn)行熱擠壓，制備了SCFs/AZ31鎂合金基復(fù)合材料，研究了擠壓溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

覃嘉宇[21]等制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%碳納米管(CNTs)的AZ91鎂基復(fù)合材料。 先通過(guò)低溫粉末冶金成型后，再利用熱擠壓方法制備成復(fù)合材料，在制備的復(fù)合材料中CNTs分布均勻，晶粒得到細(xì)化，復(fù)合材料的強(qiáng)度較基體有了明顯的提高。宋正祥[22]利用電泳沉積工藝將CNTs沉積在鎂箔表面，利用真空熱壓燒結(jié)制備CNTs/Mg基復(fù)合材料，再通過(guò)擠壓、軋制等手段對(duì)復(fù)合材料組織結(jié)合進(jìn)行調(diào)控，獲得性能良好的CNTs/Mg基復(fù)合材料。

周霞[23]等人采用動(dòng)力學(xué)法對(duì)石墨烯納米片增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，復(fù)合材料的彈性模量、最大拉伸應(yīng)力和斷裂應(yīng)變均顯著增大。王劍[24]等人利用純鎂粉體和石墨烯粉體采用電場(chǎng)壓力激活輔助燒結(jié)工藝制備了石墨烯/Mg基復(fù)合材料，研究結(jié)果顯示，石墨烯添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度、電導(dǎo)率、耐腐蝕性能均有較大的提高。

2.2 SiC顆?；蚓ы?/h3>

SiC顆?；蚓ы氃谠鰪?qiáng)鎂基復(fù)合材料中的應(yīng)用是目前研究最多、最常用的增強(qiáng)相之一，SiC顆粒與Mg基體有良好的潤(rùn)濕性，在通常的工藝條件下不與基體發(fā)生反應(yīng)。SiC在鎂基復(fù)合材料中的強(qiáng)化機(jī)制主要有增強(qiáng)體強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。SiC能顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性模量。

郗雨林[25]等用粉末冶金法分別制備了SiC晶須增強(qiáng)MB15鎂合金基復(fù)合材料和SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，并對(duì)材料的組織和性能進(jìn)行的研究和分析。阮愛杰[26]等制備了SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。研究結(jié)果顯示SiC顆粒在基體中分布均勻，材料的阻尼性能得到了改善。程建鋒[27]采用半固態(tài)攪拌鑄造法制備了體積分?jǐn)?shù)為30%的SiCp/AZ91鎂合金基復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料中SiC顆粒的分布和SiC顆粒與基體結(jié)合界面進(jìn)行了觀察和分析。

2.3 B4C顆粒

B4C顆粒在鎂基體中分布較均勻，界面穩(wěn)定，成本低，并具有良好的耐腐蝕性能，具有很大的應(yīng)用潛力。劉炎[28]利用壓力浸透法制備了碳化硼顆粒增強(qiáng)AZ91鎂合金基復(fù)合材料和碳化硼顆粒增強(qiáng)Mg基復(fù)合材料，制備的復(fù)合材料組織致密，B4C顆粒宏觀分布比較均勻，研究發(fā)現(xiàn)B4C顆粒與基體界面處發(fā)生了反應(yīng)形成了MgB2。胡望杰[29]等采用機(jī)械攪拌法制備了B4C/AZ61鎂合金基復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的蠕變性能和磨損性能，研究結(jié)果顯示，B4C顆粒的添加使得AZ61鎂合金的蠕變性能得到改善，抗磨損性能得到明顯提高。

2.4 Al2O3顆粒或纖維

Al2O3加入鎂合金中會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成MgO，在界面上還會(huì)形成共晶Mg17Al12相。盛紹頂[30]等利用快速凝固法制備了AZ91鎂合金粉末，然后用粉末冶金法制備了Al2O3顆粒增強(qiáng)AZ91鎂合金基復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的顯微組織、相組成和力學(xué)性能，研究結(jié)果表明，Al2O3顆粒分布均勻，復(fù)合材料在室溫和高溫均表現(xiàn)較好的力學(xué)性能。范艷艷[31]等采用全液態(tài)攪拌法制備了Al2O3顆粒增強(qiáng)AZ91D鎂合金基復(fù)合材料，研究結(jié)果表明，加入Al2O3后，復(fù)合材料晶粒明顯細(xì)化，硬度高于AZ91D鎂合金的。

2.5 WC顆粒

WC顆粒具有硬度高、熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，常作為硬質(zhì)合金重要的添加原料。楊永瀟[32]等人利用粉末冶金法制備WC/AZ91鎂合金基復(fù)合材料，對(duì)復(fù)合材料的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。研究結(jié)果顯示，當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%WC時(shí)制備的復(fù)合材料具有良好的綜合力學(xué)性能。

3 總結(jié)和展望

鎂作為目前最輕的金屬實(shí)用結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域越來(lái)越受到青睞。鎂基復(fù)合材料是國(guó)內(nèi)外材料工作者競(jìng)相研究的熱點(diǎn)課題之一。雖然目前對(duì)鎂基復(fù)合材料的研究已取得很多成果，但仍然存在諸多問(wèn)題，限制了鎂基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。比如：復(fù)合材料結(jié)合界面處增強(qiáng)相與基體相容性差，降低材料的強(qiáng)度；鎂基復(fù)合材料耐腐蝕性差；納米增強(qiáng)相團(tuán)聚等問(wèn)題還有沒(méi)得到很好解決。未來(lái)鎂基復(fù)合材料的研究應(yīng)從產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用入手，著重解決在生產(chǎn)過(guò)程中存在的工藝復(fù)雜難題，加大增強(qiáng)相與基體界面反應(yīng)機(jī)制研究等；推廣鎂合金基復(fù)合材料的應(yīng)用，將來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的前景是看好的。