镁基复合材料的组成及界面性能分析

镁基复合材料由镁或镁合金作为基体及增强相组成。在目前的研究中，常用的增强相主要有碳纤维、硼纤维、碳化硅晶须和颗粒、Al₂O₃短纤维和颗粒等。对复合材料而言，增强相和基体之间界面的物理、化学特性对其性能起着非常重要的作用。金属基复合材料力学性能的好坏很大程度上取决于基体和增强相之间的界面结合状况。为了获得高强度的复合材料，其界面结构的优化和稳定是基体和增强性能能否充分发挥、获得最佳综合性能的关键。

复合材料的界面是指增强相与基体在复合材料的制备和使用过程中的反应产物层，包括基体与增强相之间的扩散结合层、基体与增强相之间的成分过渡层、基体与增强相之间的残余应力层、增强相的表面预处理涂层以及基体与增强相之间的间隙等。界面虽然只是基体与增强相之间相互结合并能起载荷传递作用的微小区域，约几个纳米到几个微米，但对复合材料性能的影响极为重要^[11]。

由于镁及其合金的化学活性高，在镁基复合材料中往往导致镁基体与增强相发生相互作用而生成化合物，它可以通过化学腐蚀、界面脆化相的形成以及基体成分的改变潜在地削弱界面相，最终影响复合材料的性能。此外，由于基体同增强相之间存在热膨胀系数的差异，在某些特定应用领域也可能会造成材料形成内应力、产生高密度位错而影响材料的性能。因此，在制备镁基复合材料时，增强相的选择要求物理、化学相容性好，润湿性良好，载荷承受能力强，尽量避免增强相与基体合金之间的界面反应等。由于镁的化学活性大，镁基复合材料增强相和基体之间的界面显得更为复杂。例如：在早期的研究中，由于在较高温度下制备Al₂O₃纤维增强镁基复合材料时，Al₂O₃不可避免地会和液态的镁发生化学反应

从而在界面处生成MgO和尖晶石MgAl₂O₃，而且Al₂O₃纤维表面的空洞层引起的毛细作用可促使界面反应层厚度增加，严重影响复合材料的力学性能^[12]。碳纤维高强度、低密度的特性被认为是镁基复合材料最理想的增强相之一，虽然C与纯镁不反应，但却易与镁合金中的Al，Li等反应，生成Al₄C₃、Li₂C₂化合物，严重损伤碳纤维。研究发现B₄C、SiC与纯镁不反应，但B₄C颗粒表面的玻璃态B₂C₃与Mg能够发生界面反应

4Mg+B₂O₃=MgB₂+3MgO （1-3）(www.xing528.com)

MgB₂的产生使得液态Mg对B₄C颗粒的润湿性增大，因此这种反应不但不会降低界面结合强度，反而使复合材料具有更高的力学性能^[13]。

从而在界面处生成MgO和尖晶石MgAl₂O₃，而且Al₂O₃纤维表面的空洞层引起的毛细作用可促使界面反应层厚度增加，严重影响复合材料的力学性能^[12]。碳纤维高强度、低密度的特性被认为是镁基复合材料最理想的增强相之一，虽然C与纯镁不反应，但却易与镁合金中的Al，Li等反应，生成Al₄C₃、Li₂C₂化合物，严重损伤碳纤维。研究发现B₄C、SiC与纯镁不反应，但B₄C颗粒表面的玻璃态B₂C₃与Mg能够发生界面反应

4Mg+B₂O₃=MgB₂+3MgO （1-3）

MgB₂的产生使得液态Mg对B₄C颗粒的润湿性增大，因此这种反应不但不会降低界面结合强度，反而使复合材料具有更高的力学性能^[13]。