镁基复合材料的复合体系研究

镁基复合材料主要由镁合金基体、增强相和基体与增强相间的接触面-界面组成。

1.基体合金

常用基体合金目前主要有：Mg-Mn、Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Zr、Mg-Li和Mg-RE。此外，还有用于较高温度下工作的两个合金系Mg-Ag和Mg-Y。镁基复合材料根据其使用性能选择基体合金，侧重铸造性能的可选择不含Zr的铸造镁合金为基体；侧重挤压性能的一般选用变形镁合金。添加少量的合金元素可以起到固溶强化、沉淀强化、细晶强化的作用。Mn可以提高耐蚀性；Zr可细化晶粒和提高抗热裂倾向；稀土金属除具有类似Zr的作用外，还可以改善铸造性能、焊接性能、耐热性以及消除应力腐蚀倾向；Li除可在很大程度上降低复合材料的密度外，还可以大大改善基体镁合金的塑性。

2.增强体

镁基复合材料通常按增强体的形式分类，一般可以分为三种类型：颗粒、短纤维或晶须、连续纤维，见表2-44。

表2-44 镁基复合材料增强体分类

常用的增强相主要有C纤维、Ti纤维、B纤维，Al₂O₃短纤维，SiC晶须，B₄C颗粒、SiC颗粒和Al₂O₃颗粒等。长纤维增强金属基复合材料性能好，但造价昂贵，不利于向民用工业发展，另外其各向异性也是阻碍因素之一。颗粒或晶须等非连续物增强金属复合材料各向同性，有利于进行结构设计，可以二次加工成形，可进一步时效强化，并具有高的强度、弹性模量、硬度、尺寸稳定性，优良的耐磨、耐蚀、减振性能和高温性能，已日益引起人们的重视。

（1）SiC颗粒和晶须 SiC颗粒和晶须作为镁基复合材料的增强相是研究最多的一种。制备SiC增强镁基复合材料的方法主要有两种：一种是利用陶瓷颗粒预制块下造成的真空产生负压实现熔融基体对压实后的预制块的浸润；另一种是分步挤压制造法，已成功制造出SiC/ZK51A镁基复合材料。由于镁合金易于同陶瓷增强相表面的氧和氮反应，因此陶瓷增强相同基体镁合金之间的润湿性好，特别是SiC可与镁反应生成Mg₂Si，更有利于提高与基体镁合金之间的润湿性，这也是镁基复合材料与铝基复合材料相比具有的一个重要优点。SiC颗粒引起的非均质形核，限制了初生相晶粒的生长，可使晶粒细化。SiC在镁基复合材料中的强化机制主要来自细晶强化、析出强化和增强体的强化，SiC晶须与颗粒都能显著提高复合材料的室温强度和弹性模量，SiC晶须作用更明显，SiC晶须复合材料经低温处理及预变形后残余应力降低，拉伸屈服强度得到改善。

（2）碳（石墨）纤维 碳纤维增强镁基复合材料分为连续和非连续。连续石墨纤维增强镁基复合材料Gr（连续）/Mg具有良好的比刚度、抗热形变和机械加工性；非连续石墨纤维增强镁基复合材料Gr（非连续）/Mg虽然有些性能不如Gr（连续）/Mg，但它更经济，成形和加工都有明显的优势。通过合理的定向塑性变形加工，可使在镁基体中原来呈无序排列的短纤维将沿变形方向定向排列，当纤维的长径比超过临界值时，将呈现出接近连续纤维的增强效果。制备此种复合材料采用真空压力浸渍工艺，纤维和基体界面上无化学反应迹象，这种材料阻尼性能无论在室温还是在高温下都优于镁合金，并随着温度升高，效果更明显，抗破坏能力优于Al₂O₃颗粒增强，温度的变化对界面附近热应力造成的残余应变、位错结构及孪晶都产生影响。但对于含Al、Li等元素的镁合金，则易于与纤维反应生成Al₄C₃、Li₂C₂化合物损失碳纤维，不利于复合材料的性能。对于此类情形，可以采用在碳纤维表面加涂层的方法解决，如在纤维表面进行C-Si-O梯度涂层处理后，界面结合强度明显提高。(www.xing528.com)

（3）Al₂O₃颗粒和纤维 Al₂O₃颗粒增强镁基复合材料一般采用挤压铸造法，陶瓷相Al₂O₃很易被镁基体腐蚀，有不连续MgO形成，在界面上还可看到少量粗大的共晶Mg₁₇Al₁₂析出相，经过长时间时效处理后，界面有较多的Mg₁₇Al₁₂时效析出相，此时基体合金内也观察到很多片状Mg₁₇Al₁₂连续析出物：

3Mg+Al₂O₃=2Al+3MgO

Al₂O₃纤维增强镁基复合材料室温下产生的界面张力主要受基体影响，而在高温下主要受Al₂O₃纤维控制。对于Al₂O₃/Mg复合材料，由于在界面处不可避免地要发生界面反应，界面结合过强，从而导致复合材料的应用性能不高，所以其应用前景不大。

（4）B₄C颗粒 目前关于B₄C颗粒和镁合金的界面相容性及界面化学反应的研究报道相当有限，B₄C易于氧化，进而在其表面形成低熔点的（450℃）非晶B₂O₃薄膜。在通常的制备温度下，非晶B₂O₃薄膜会与Mg发生反应：

4Mg（L）+B₂O₃（L）=MgB₂（S）+MgO（S）

生成的MgB₂可以提高Mg熔体与B₄C之间的润湿性，从而获得很高的界面结合强度。

上述情况表明，SiC和B₄C比较适合于制备镁基复合材料，由于其在镁合金中的稳定性高，可以用于熔体搅拌工艺，所需时间短、分散均匀性也较高。

在制备镁基复合材料时，制备方法对增强相的选择有不同要求。采用喷射沉积和快速凝固/粉末冶金法时，由于制备时不会诱发各种界面化学反应，故增强相的选择比较自由。选择铸造法时，由于熔体与增强相直接接触，接触时间长，温度高，易于诱发界面化学反应，故要慎重选择增强相。