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1、颗粒增强镁基复合材料的研究发展现状与展望李杨 20090560材料科学与工程学院摘要：镁基复合材料具有很高的比强度、比刚度以及优良的阻尼减震性能，是汽车制造、航空航天等领域的理想材料之一。本文综述了颗粒增强镁基复合材料的研究概况。着重介绍了其制备方法、力学以及阻尼性能，并对它的发展趋势进行了展望。关键词：镁基复合材料；制备方法；性能；发展Particles reinforced magnesium matrix composite materials research and development present situation and prospect Li Yang 20090560
2、Material science and engineering college 090201Abstract: magnesium matrix composite materials have high specific strength, specific stiffness and good damping shock absorption performance, the automobile manufacturing, aerospace and other fields is one of the ideal materials. This paper reviews the
3、particles reinforced magnesium matrix composite materials research situation. Mainly introduces the preparation methods, mechanical and damping properties, and its development trend is prospected. Keywords: Magnesium matrix composite materials; Preparation methods, Performance; development 前言与传统的金属材
4、料相比，金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、耐高温、耐磨损耐疲劳、热膨胀系数小、化学稳定性和尺寸稳定性好等优异性能。金属基复合材料的增强体主要有长纤维、短纤维、颗粒和晶须等，其中颗粒增强金属基复合材料由于制备工艺简单、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点，已经成为金属基复合材料领域最重要的研究方向，正在向工业规模化生产和应用发展。 颗粒增强金属基复合材料的主要基体有铝、镁钛、铜和铁等，其中铝基复合材料发展最快；由于镁的密度更低(1.74 gcm3)，仅为铝的 23，具有更高的比强度、比刚度，而且具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能，镁基复合材料正
5、成为继铝基之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料。镁基复合材料因其密度小，且比镁合金具有更高的比强度 、比刚度、耐磨性和耐高温性能，受到航空、航 天 、汽车、机械及电子等高技术领域的重视自20世纪8O年代至现在，镁基复合材料已成为金属基复合材料的研究热点之一。颗粒增强镁基 复合材料与连续纤维增强、非连续 (短纤维、晶须等)纤维增强镁基复合材料相比，具有力学性能呈各 向同性、制备工艺简单、增强体价格低廉 、易近终成型、易机械加工等特点，是目前最有可能实现低成本、规模化商业生产的镁基复合材料。一、制备方法1、粉末冶金法 粉末冶金法是把微细纯净的镁合金粉末和增颗粒均匀混合后在模具中冷压 ，然后在真空
6、中将合体加热至合金两相区进行热压，最后加工成型得复合材料的方法 。粉末冶金的特点 ：可控制增颗粒的体积分数 ，增强体在基体中分布均匀；制备温度较低 ，一般不会发生过量的界面反应。该法工艺设备较复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。 2、熔体浸渗法 包括压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗。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，制成复合材料采用高压浸渗，可克服增强颗粒与基体的不润湿情况，气孔、疏松等铸造缺陷也可以得到很好的弥补。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
7、高，因此不利于大规模生产。增强颗粒与基体的润湿性是无压浸渗技术的关键。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。由负压浸渗制备的SiCMg颗粒在基体中分布均匀。 3、全液态搅拌法 在保护气氛下，将增强颗粒加入熔融的镁合金基体中，再进行机械搅拌，最后浇铸成型。此方法设备以及工序简单，成本也较低，但在搅拌的过程中容易产生气孔，另外由于增强颗粒与基体的密度不同易发生颗粒沉积和团聚的现象：铸锭凝固后可以进行热挤压 ，可以改善基体和增强颗粒间的界面完整性以及增强相在基体中的均匀分布 ，并且在挤压的过程中发生了动态再结晶，复合材料发生了明显的晶粒细化现象。4、半固态搅熔铸造法 半
8、固态搅熔铸造法是指将增强颗粒加入由机械搅拌的半固态基体中，待混合均匀后升至熔点温度浇铸，凝固后得到镁基复合材料的方法。此方法可以避免全液态搅拌法易产生气孔和发生颗粒沉积及团聚的现象。该工艺较有利于大规模工业生产。5、喷射沉积法 此工艺首先用高压的惰性气体流将液态镁合金雾化 ，形成熔融状态的镁合金喷射流，同时将增强颗粒喷入镁合金喷射流中，使颗粒和基体的混合体沉积到衬底上 ，凝固后得到镁基复合材料 ：该工艺所制备的复合材料颗粒在基体中分布均匀、凝固快 、界面反应较少。二、组织和性能1、基体和增强颗粒的选择纯镁不适于直接作为镁基复合材料的基体，一般需要添加合金元素。常用的合金元素依次有铝锌、硅、锂、
9、银、锆、锰和稀土元素等，通常根据镁基复合材料的使用性能选择基体合金。用作镁基复合材料的增强颗粒主要是各种碳化物(如SiC)、氧化物(如Al2O3)、硼化物(如TiB2)以及石墨等。选择时主要考虑颗粒的形状与尺寸、颗粒与基体的物理、化学相容性等因素，尽量避免增强颗粒与基体合金之间的界面反应，同时还要考虑增强颗粒的各项力学性能、物理性能以及制备成本。 近几年有研究者尝试采用金属或合金颗粒作为镁基复合材料的增强体，取得了很好的效果。一些金属颗粒(如钛、镍和铜等)具有较高的模量和强度，且塑性较好，用作镁基复合材料的增强体，不仅可以提高材料的强度等指标，而且能够保持与基体镁相当的塑性。2、增强颗粒对基体
10、组织结构的影响颗粒增强镁基复合材料的晶粒与基体相比发生了明显的细化现象。颗粒对基体的细化机制可能是初生-Mg相在颗粒表面非匀质形核及颗粒阻止-Mg相生长共同作用的结果。在相同的体积分数的颗粒下，颗粒越细，则能满足-Mg相非匀质形核所要求的界面特征、错配度和温度条件，可成为初生-Mg相形核衬底的颗粒数量就越多，从而对基体的细化作用也越强。由于增强颗粒与基体在力学和热力学上的不匹配，将会在界面及近界面处产生热错配残余应力，引起基体发生塑性流变，在基体中形成了高密度的位错。3、颗粒增强镁合金的力学性能目前，对于颗粒增强金属基包括镁基复合材料的强化机制还没有一个统一而完善的理论。普遍认为，颗粒增强复合
11、材料强化机制主要有以下几点：由于基体与增强体热膨胀系数不同导致材料内产生热残余应力以及由于热残余应力释放导致基体中产生高密度位错；增强体的加入对基体变形的约束以及对基体中位错运动的阻碍产生了强化；基体向增强体的载荷传递以及晶粒细化强化等。然而由于材料的强度、韧性和断裂等力学性能与材料的原位特性有关 ，对材料中的界面、缺陷等局部缺陷很敏感，属高阶性能，往往出现协同效应，即当几个因素同时在材料中起作用时，材料的某些特性可能发生急剧变化。因此，不能简单认为复合材料的高强度是上述强化因素简单的叠加效应。由于在制备工艺、增强相种类、参数和体积分数以及基体合金等方面的不同，镁基复合材料的力学性能有一定的差
12、异。一般来说，加入增强颗粒后材料的硬度、屈服强度和抗拉强度提高，而伸长率则有所下降。如以陶瓷颗粒作为增强体，可以获得更高的硬度、屈服强度和抗拉强度，但伸长率下降较快；而以金属颗粒作为增强体的复合材料，可获得较好的塑性，这主要是因为金属颗粒本身具有较好的塑性，而且与基体镁的相容性良好。 与强度等力学性能相比，弹性模量属于低阶性能，对材料中的界面、缺陷等不敏感。按照简单的混合定律，由于所加入的陶瓷或金属颗粒增强体的弹性模量都远高于镁基体，因此所得到的镁基复合材料的弹性模量均高于基体镁或镁合金。增强体的弹性模量越大，复合材料的弹性模量也越大，而且伴随着增强体体积分数的增大，上述趋势愈加明显。4、颗粒
13、增强镁合金的阻尼性能阻尼性能通常又称为减振性能，是一个由时间决定的与弹性相关的物理性能，通常用内耗值 Q 来表征 。在所有的金属结构材料中，镁的阻尼性能最好，其 Q 值约为 0.010.02，而铝合金、钛合金、钢等的阻尼值远远小于 0.01。因此，采用高阻尼镁合金为基体，选择合适的增强体，通过合理的设计，可望使复合材料最大 Q 值达到 0.01以上，获得高阻尼、高强度和低密度的减振材料。当温度在 75以下，纯镁的阻尼性能要优于 SiCp增强的镁基复合材料；而高于75时，复合材料的阻尼性能要好于纯镁。认为在温度较低时，镁和 SiC的本征阻尼在起作用，镁和SiC颗粒的阻尼为 0.02和0.002，
14、根据混合定律，复合材料的阻能性能将小于纯镁基体；而当温度高于75，界面阻尼机制起主导作用，使复合材料的阻尼性能高于纯镁。5、耐磨性镁合金基体中分布着强度、硬度都较高的陶瓷增强体时，增强颗粒在磨损过程中将起到支撑载荷的作用，减少镁合金基体的粘着磨损，使镁基复合材料具有优良的耐磨性。三、颗粒增强镁基复合材料的发展趋势1、由于在金属基体内原位生成的高硬度高弹性模量的陶瓷颗粒增强相具有表面无污染与基体相容性良好，界面结合强度高等传统复合工艺无法比拟的优点，因此，借鉴目前原位内生颗粒增强铝基复合材料较成熟的制备技术，探索高性能、低成本、容易大规模生产的原位颗粒内生半固态镁基复合材料制备技术将成为研究热点
15、之一；2、颗粒增强镁基复合材料热力学及动力学的计算机模拟技术将成为研究热点之一； 3、控制陶瓷颗粒增强相与镁合金基体的界面行为以获得界面结合良好的镁基复合材料 ； 4、开发镁基复合材料再生与回用技术； 5、在汽车工业中，镁压铸件的加工、循环再生和铸造方面较铝有很大的技术优势，而且用镁可以代替汽车上的特种塑料，因此，原位颗粒增强镁基复合材料在汽车工业具有潜在的应用前景和广阔的市场。参考文献：1 于春田，崔建忠等，金属基复合材料M.北京冶金工业出版社，19972 吴人洁.金属基复合材料的现状与展望J.金属学报.1997,33:78-823 王俊，陈峰，张立宁，高能超声设备Al203/ZA22复合材
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