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1、材料科学与工程学院材料学科前沿文献综述题 目： 镁基复合材料 学生姓名： 任城堡 学 号： 100601217 专 业： 金属材料工程 评阅教师： 张欣 2013 年 4 月镁基复合材料的研究摘要：综述主要的镁基复合材料的研究，介绍镁基复合材料的制备工艺、性能及应用，展望镁基复合材料的发展前景关键词：镁基复合材料；制备工艺；性能；应用；展望1 前言现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。复合材料是将两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。近年来，金属基复合材料在许多领域得到了应用。目
2、前金属基复合材料的制备方法已有很多，并在铁基、镁基、铜基、铝基、钛基等金属基复合材料中取得了比较大的成功。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。 1根据镁基复合材料的特点，结合原有的金属基复合材料的制备工艺，材料工作者尝试了多种新的适合制备镁基复合材料的方法与工艺，
3、对研制、开发镁基复合材料起到了很好的促进作用。2 镁基复合材料的制备方法由于镁的熔点与铝相近，镁基复合材料的制备工艺与铝基复合材料相似。颗粒、晶须、纤维增强镁基复合材料的传统制备方法主要搅拌铸造、挤压铸造以及粉末冶金，除了这些传统的制备方法以外，近年还出现了机械合金化、熔体浸渗、DMD 法、自蔓延高温合成法、重熔稀释法、反复塑性变形等新型制备方法。 2.1 粉末冶金法粉末冶金法（Powder Metallurgy）是最早用于制备金属基颗粒复合材料的工艺。该方法是将预制好的纯镁粉或镁合金粉与陶瓷颗粒均匀地混合在一起，混合粉末通过真空除气、固结成形后，再进行热压、锻造、轧制等冷、热塑性加工，制成所
4、需形状、尺寸和性能的复合材料。制备过程中基体镁或者镁合金不必经过全熔的高温状态，因而界面反应大大减弱，且增强体颗粒在基体内分布均匀，从而赋予镁基复合材料更高的综合性能。 22.2 铸造法(Casting Route)搅拌铸造是制备颗粒增强金属基复合材料的一种典型工艺，通常分为3类： 全液态搅拌铸造工艺； 半固态搅拌铸造工艺；前2类工艺属搅拌铸造法。 搅熔铸造工艺。搅熔铸造法是靠桨叶旋转产生的机械搅拌作用使半固态基体合金熔体形成的涡流来强制引入增强颗粒，在增强颗粒与先凝固的金属晶粒混合均匀后再升温浇铸，凝固后得到镁基复合材料的方法。而搅拌铸造法是在液态下搅拌，搅拌后产生的负压使复合材料很容易吸气
5、而形成气孔，另外增强颗粒与基体合金的密度不同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现象。半固态成型可以减少宏观偏析，降低凝固收缩和成型温度，且陶瓷颗粒在基体内分布均匀。由于该工艺在很大程度上降低了镁在高温下的氧化烧损，且该工艺设备简单、成本低，最有希望应用于大规模的工业生产。2.3 熔体浸渗法按施压方式可以分为压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗3种。压力浸渗是先将增强颗粒做成预制件，加入液态镁合金后加压使熔融的镁合金浸渗到预制件中，制成复合材料，该工艺已很成熟。无压浸渗是指熔的镁合金在惰性气体的保护下，不施加任何压力对增强颗粒预制件进行浸渗。该工艺设备简单 、成本低 ，但预制件的制备费用较高，因此不利于大
6、规模生产。负压浸渗是通过预制件造成真空的负压环境使熔融的镁合金渗入到预制件中，制备的SiCMg颗粒在基体中分布均匀。 2.4 喷射法喷射法是一种快速凝固法，包括喷射沉积法、熔融旋压法等。喷射沉积法首先使液态金属在高压惰性气体喷射下雾化，形成熔融合金喷射流，同时将颗粒喷入熔融合金的射流中，使液固两相颗粒混合并共沉积到预处理的衬底上，快速凝固得到镁基复合材料。利用此法制备的镁基复合材料中颗粒在基体内均匀分布，晶粒细小，界面清洁，但孔隙率较高，需进行二次加工。熔融旋压法能使含有颗粒状增强物的熔融金属以每秒几千至几百万度的高速度凝固，获得厚约50,m的薄片，这些薄片被压实为坯料，然后挤压成型材。其颗粒
7、分布相当均匀，具有极好的高温强度和高比刚度及断裂韧性。2.5 DMD法文献提出了DMD法( DisintegratedMeltDeposition) , 该方法先将基体与增强体颗粒以逐层夹逼的形式铺设, 在氩气保护下对其加热熔化并过热, 然后将过热处理的镁熔体搅拌均匀, 由两个氩气喷嘴将射流均匀地喷射沉积到底部的基板上, 制备出复合材料。用DMD法制备的复合材料基体与增强相之间的界面结合良好, 增强相在基体中分布均匀, 可起到显著的晶粒细化作用 , 极大限度地抑制了孔洞的产生, 是一种新型而有效的镁基复合材料的制备方法。采用该方法已成功制备出了Ti/Mg, Cu/ AZ91A及Y 2O3/ M
8、g等镁基复合材料。 33 镁基复合材料的组织与性能对镁基复合材料的组织与性能的研究目前已取得较大的成果,但并不深入全面, 力学性能数据分散性较大,仍处于探索性研究阶段, 距离大量的实际应用还需做大量的工作。3.1 增强相及制备工艺对材料结构及性能的影响镁基复合材料的组织特征与其他金属基复合材料的组织相似,也是纤维状、颗粒状或晶须增强体分布于合金基体中, 由于两者的膨胀系数相差较大, 在增强相周围存在高密度的位错缠结和残余应力, 这有利于提高材料的强度。从文献中发现目前有关SiC增强镁基复合材料的力学性能的报道较多, 现归纳如表1所示。从表1可以看出, 加入增强体后,虽然抗拉强度、硬度和弹性模量
9、提高, 但延伸率降低。为进一步提高镁基复合材料的力学性能, 有研究表明可通过热挤压工艺、固溶时效工艺或者粉末冶金工艺等获得复合材料。由于所获得的材料晶粒尺寸变小, 显微结构更加致密,因此性能要比常规铸造条件下的高。此外, 基体种类作为复合材料的一个组成部分, 对复合材料的最终性能也有重要影响, 良好的基体合金有助于提高对应的复合材料性能。图1是采用压铸工艺制备的短铝纤维Saffil 增强相的镁基复合材料中 , 不同的基体对应获得的材料抗拉强度数值比较。可以看出CP-Mg基复合材料对应的强度数值比AZ91基和QE22基复合材料的低。3.2 材料结构及性能研究的新进展通过机械合金化工艺可以制备出具
10、有优良储氢性能的复合材料,而且若在研磨过程中辅以某些有机添加剂,对提高材料的储氢性能有很大帮助。另外非晶态镁基复合材料的优良性能更是引起了人们的普遍兴趣。同时材料工作者对镁基复合材料的显微结构、耐磨性能、超塑性能、疲劳断裂机理及热处理影响也进行了更深入的研究。通过对这些性能的研究, 又大大推动了镁基复合材料的新发展。 4以镁基复合材料组织特征为增强体分布在基体合金中，同时引入了大量的界面以及高密度位错缠结，其晶粒度较基体合金也小，无论是高密度位错引起的位错强化，还是细化晶粒的作用都将提高和改善复合材料的拉伸强度和刚度等力学性能。另外，挤压变形、固溶时效以及其它一些工艺的运用和调整都将有利于进一
11、步提高镁基复合材料力学性能镁基复合材料具有良好的阻尼性能( 减振性能) 、电磁屏蔽性能和储氢特性，是良好的功能材料，还具备密度小、贮氢容量高、资源丰富等优点。镁基贮氢复合材料正被日益重视，主要制备方法有多元合金化、机械合金化、多元复合等。4 镁基复合材料的应用 从近期发展看，镁基复合材料并没有大规模地应用于常规结构件中，但它们在航空航天和汽车电子工业中的众多构件方面有着广阔的应用前景。美国TEXTRON、DOW 化学公司用SiC Mg复合材料制造螺旋桨、导弹尾翼、内部加强的汽缸等。DOW 化学公司用AlzO SiC Mg复合材料已制成皮带轮、油泵盖等耐磨件，并制备出完全由AlzO Mg复合材料
12、构成的油泵。美国海军研究所和斯坦福大学利用B C MgLi、BpMgLi复合材料制造卫星天线构件。加拿大镁技术研究所成功开发了搅拌铸造及挤压铸造SiC颗粒增强镁基复合材料，试图利用其低密度、耐磨损、高比刚度等特点用于汽车的盘状叶轮、活塞环槽、齿轮、变速箱轴承、差动轴承、拨叉、连杆、摇臂等零部件。由于目前制备镁基复合材料的成本较高，其应用多集中在航空航天和军事工业。但镁合金是一种国际上承认的绿色环保和可持续发展合金材料，随着新世纪节省能源、保护环境、可回收利用等观念深入人心，预计在汽车等交通工具领域应用将会大大增加。汽车工业中，镁压铸件的加工、循环再生和铸造等较铝有很大的技术优势，并可以用其来代
13、替汽车上部分特种塑料制造的零件。5 镁基复合材料的发展前景展望从目前发展趋势看，简化现有制备工艺、改善成形性以降低制备成本是发展镁基复合材料的攻克点，从而能实现大规模的商业化。预计，以下几个方面将会成为今后的研究热点：(1)金属间化合物本身由于其原子有序排列与共价键的共存性, 使其兼顾金属和陶瓷的性能特点,具有低的密度、高的强度和抗氧化性能,在高温下具有较高的强度保持率, 用金属间化合物增强的镁基复合材料, 有望成为新一代高温结构材料。(2)增强相和镁基之间的界面问题将成为镁基复合材料研究的关键, 直接影响材料的性能, 进一步探究不同增强相和镁基体的界面反应、界面状态和界面的结合过程, 将是镁
14、基复合材料的研究重点, 同时将成为计算机模拟材料的热点。(3)镁基复合材料的环境性能方面研究, 即如何解决与环境的适应性, 实现其再生循环利用, 实现社会可持续发展, 将受到人们的关注。 5(4)超轻系镁基复合材料的研究。进一步研究开发应用于航空航天结构件等方面的超轻系镁基复合材料，MgLi基复合材料是首选材料并将成为研究热点。(5)镁基功能复合材料的开发利用，尤其是镁基储能材料的研究开发会更加深入。(6)镁基复合材料的智能化设计。采用计算机辅助技术模拟制备镁基复合材料热力学和动力学过程，从而更加清楚地了解基体增强体界面反应的实际过程，减少复杂实验过程中诸多因素的影响，为镁基复合材料的结构性能
15、制备一体化设计开辟新的研究途径。参考文献1 Composites Science and TechnologyVolume 70, Issue 1, January 2010, Pages 1231292 杜文博，严振杰，吴玉峰，王朝辉，左铁镛镁基复合材料的制备方法与新工艺稀有金属材料与工程，2009,38(3)：5603 谷雪花，杨方，齐乐华,周计明镁基复合材料新型制备工艺及其应用塑性工程报，2011，18(2)：834 田君,李文芳,韩利发,彭继华,刘刚镁基复合材料的研究现状及发展材料导报，2009，23(9)：735 胡茂良, 吉泽升, 宋润宾, 郑小平. 镁基复合材料国内外研究现状及展望.硕士学位论文,哈尔滨,哈尔滨理工大学,2004
