镁基复合材料的研究发展现状与展望
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。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，并展望了它的发展趋势。
关键词：镁基复合材料，展望
一、前言（材料背景）
与传统的金属材料相比，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 g／cm3)，仅为铝的 2／3，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。
二、镁基复合材料的组织与性能及其应用
相对于传统金属材料和铝基复合材料，有关镁基复合材料的组织与性能的研究目前虽然已经取得了一定的成果，但还不够全面深入，力学性能数据分散性也比较大，仍处于探索性研究阶段。材料工作者对镁基复合材料的耐磨性能和疲劳断裂机理进行了研究，并围绕镁基复合材料的力学性能及物理性能做了一些工作。力学性能主要集中于复合材料的拉伸与压缩性能，时效特性，以及低温与高温超塑性等方面；物理性能有阻尼性能和储氢性能等研究内容。储氢镁基复合材料一般采用球磨法制备。高能球磨后，颗粒活化，镁颗粒与增强相颗粒以及颗粒内部的大量相界、微观缺陷的存在是材料具有优异氢化性能的主要原因。通过机械合金化工艺可以制备出具有优良储氢性能的复合材料， 典型体系：Mg—Mg2Ni，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，但较高的脱氢温度以及相对较慢的吸放氢速度限制了镁基合金实际应用。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。在实际应用中，由于镁基复合材料过硬的性能，镁基复合材料在在各领域中被广泛应用。
图一 镁基在汽车领域的应用
图二 镁合金
图三
三、展望
镁基复合材料研究领域目前存在的问题
1)镁基复合材料基础研究方面存在的问题
镁基复合材料的复合机理、界面强化机理等基础的研究还不够充分。镁材料的腐蚀现象严重,电化学腐蚀及应力腐蚀现象尤为突出。杂质元素、晶粒细化、热处理等对材料腐蚀影响程度,研究报道还不够。
2)镁基复合材料生产技术研究方面存在的问题
基体合金性能的提高对复合材料性能有极大的促进。目前常用的基体合金都存在着某些不足,比如AZ91D合金虽然抗拉强度、压铸性能及抗腐蚀性能不错,但抗蠕变性能不是很好。AS41B合金抗蠕变性能不错,但强度、硬度不尽如人意。所以发展新型的具有优良性能的基体合金对复合材料的发展有重要意义。将先进的制造技术和材料的生产相结合,可以获得优良的材料性能。比如在铸造后通过热等静压(HIP)工艺可以消除铸造产生的缩松问题;采用真空高压压铸能够达到减少缩松,提高塑性的效果。因此充分将先进的制备加工技术(如真空高压压铸、触变铸造、低压压铸、挤压铸造、快速凝固、喷射铸造等等)同材料生产相结合,是提高材料性能、拓展应用领域的一个快捷途径。同时,材料的回收性能也是制
约镁基复合材料应用的一个重要问题,镁基复合材料由于本身的结构特性,使得它的回收再利用难度很大,这也极大制约了它的进一步应用。因此如何开发一种科学适用的回收体系,充分利用材料并有利于环境保护,也是材料研究领域的一大热点话题。
四、 结语
镁基复合材料拥有优异的力学性能和物理性能，已经显示出广阔的应用前景。 但其力学性能相对铝基复合材料尚有一定差距，发展方向可能在于选用超细增强相(如亚微米、纳米级增强相)提高复合材料强度的同时细化晶粒、提高塑性等，另外，通过原位反应合成增强相，控制界面反应制备镁基复合材料的方法也是一个值得研究和开发的领域。
值得关注的是:目前一种称之为机械分解和沉积的新型合成技术正被应用于镁基复合材料的制备,所制得材料对应的弹性模量、屈服强度都呈明显增加,而强度并不降低。
此外，在现有的镁基复合材料制备工艺条件下，大范围的应用还远未成为现实，因此在镁基复合材料的制备工艺、回收技术以及材料内部结构性能的各个领域都需要进行更多的原理研究及应用探索。对于空间应用及交通领域来说，都需要发展如高弹性模量、高比强度、高耐磨性能的轻质材料。而且，在未来的几十年中，人类社会的老龄化问题将日益突出，发展各种超轻结构材料对于老年人独立工作及日常生活是十分必要的。复合材料的制备工艺过于复杂；有些先进的各方法还停留在实验室中，无法实际应用。因此今后镁基复合材料研究重点将主要集中在开发新型增强相材料与原位反应合成技术，优化现有制备工艺，大规模制备高性能镁基复合材料。镁基复合材料以其固有的优良性能，将会具有更广阔的发展空间，在材料应用领域上发挥出更大的作用。
镁基复合材料的研究发展现状与展望
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。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，并展望了它的发展趋势。
关键词：镁基复合材料，展望
一、前言（材料背景）
与传统的金属材料相比，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 g／cm3)，仅为铝的 2／3，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。
二、镁基复合材料的组织与性能及其应用
相对于传统金属材料和铝基复合材料，有关镁基复合材料的组织与性能的研究目前虽然已经取得了一定的成果，但还不够全面深入，力学性能数据分散性也比较大，仍处于探索性研究阶段。材料工作者对镁基复合材料的耐磨性能和疲劳断裂机理进行了研究，并围绕镁基复合材料的力学性能及物理性能做了一些工作。力学性能主要集中于复合材料的拉伸与压缩性能，时效特性，以及低温与高温超塑性等方面；物理性能有阻尼性能和储氢性能等研究内容。储氢镁基复合材料一般采用球磨法制备。高能球磨后，颗粒活化，镁颗粒与增强相颗粒以及颗粒内部的大量相界、微观缺陷的存在是材料具有优异氢化性能的主要原因。通过机械合金化工艺可以制备出具有优良储氢性能的复合材料， 典型体系：Mg—Mg2Ni，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，但较高的脱氢温度以及相对较慢的吸放氢速度限制了镁基合金实际应用。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。在实际应用中，由于镁基复合材料过硬的性能，镁基复合材料在在各领域中被广泛应用。
图一 镁基在汽车领域的应用
图二 镁合金
图三
三、展望
镁基复合材料研究领域目前存在的问题
1)镁基复合材料基础研究方面存在的问题
镁基复合材料的复合机理、界面强化机理等基础的研究还不够充分。镁材料的腐蚀现象严重,电化学腐蚀及应力腐蚀现象尤为突出。杂质元素、晶粒细化、热处理等对材料腐蚀影响程度,研究报道还不够。
2)镁基复合材料生产技术研究方面存在的问题
基体合金性能的提高对复合材料性能有极大的促进。目前常用的基体合金都存在着某些不足,比如AZ91D合金虽然抗拉强度、压铸性能及抗腐蚀性能不错,但抗蠕变性能不是很好。AS41B合金抗蠕变性能不错,但强度、硬度不尽如人意。所以发展新型的具有优良性能的基体合金对复合材料的发展有重要意义。将先进的制造技术和材料的生产相结合,可以获得优良的材料性能。比如在铸造后通过热等静压(HIP)工艺可以消除铸造产生的缩松问题;采用真空高压压铸能够达到减少缩松,提高塑性的效果。因此充分将先进的制备加工技术(如真空高压压铸、触变铸造、低压压铸、挤压铸造、快速凝固、喷射铸造等等)同材料生产相结合,是提高材料性能、拓展应用领域的一个快捷途径。同时,材料的回收性能也是制
约镁基复合材料应用的一个重要问题,镁基复合材料由于本身的结构特性,使得它的回收再利用难度很大,这也极大制约了它的进一步应用。因此如何开发一种科学适用的回收体系,充分利用材料并有利于环境保护,也是材料研究领域的一大热点话题。
四、 结语
镁基复合材料拥有优异的力学性能和物理性能，已经显示出广阔的应用前景。 但其力学性能相对铝基复合材料尚有一定差距，发展方向可能在于选用超细增强相(如亚微米、纳米级增强相)提高复合材料强度的同时细化晶粒、提高塑性等，另外，通过原位反应合成增强相，控制界面反应制备镁基复合材料的方法也是一个值得研究和开发的领域。
值得关注的是:目前一种称之为机械分解和沉积的新型合成技术正被应用于镁基复合材料的制备,所制得材料对应的弹性模量、屈服强度都呈明显增加,而强度并不降低。
此外，在现有的镁基复合材料制备工艺条件下，大范围的应用还远未成为现实，因此在镁基复合材料的制备工艺、回收技术以及材料内部结构性能的各个领域都需要进行更多的原理研究及应用探索。对于空间应用及交通领域来说，都需要发展如高弹性模量、高比强度、高耐磨性能的轻质材料。而且，在未来的几十年中，人类社会的老龄化问题将日益突出，发展各种超轻结构材料对于老年人独立工作及日常生活是十分必要的。复合材料的制备工艺过于复杂；有些先进的各方法还停留在实验室中，无法实际应用。因此今后镁基复合材料研究重点将主要集中在开发新型增强相材料与原位反应合成技术，优化现有制备工艺，大规模制备高性能镁基复合材料。镁基复合材料以其固有的优良性能，将会具有更广阔的发展空间，在材料应用领域上发挥出更大的作用。