石墨(碳)纤维增强镁基复合材料时局性发展

石墨(碳)纤维增强镁基复合材料时局性发展

碳纤维增强镁基复合材料是继铝基复合材料之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料。由于其具有高的比刚度和热导率，在某些方面，其性能甚至超过了铝基复合材料，在航空航天及汽车工业中有了广泛的应用前景。碳纤维增强镁基复合材料由于具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的尺寸稳定性、优良的铸造性能等特点，是当今高技术领域中非常有希望采用的复合材料之一。近年来，也加快了对碳纤维增强镁基复合材料的研究步伐，正航仪器来为您介绍有关部分：

一、石墨(碳)纤维增强镁基复合材料的发展

目前，世界上对碳纤维增强镁基复合材料的研究非常活跃，美国、日本、德国、加拿大、英国等国家的一些大学和研究机构都开展了很多碳纤维增强镁基复合材料的研究。每年一届的国际镁会议都有关于镁基复合材料的论文，另外，近几届的国际复合材料会议(ICCM)上有关碳纤维增强镁基复合材料的论文也逐渐增多。我国也开展了碳纤维增强镁基复合材料的实验研究，但都处于实验阶段。近三四年国内关于石墨(碳)纤维增强镁基复合材料的研究较少，对这种复合材料的研究集中在1996~1998 年。

1、基体和增强体的选择

镁基复合材料主要由三部分组成：镁合金基体、增强体以及基体与增强体之间的界面。用基体合金目前主要有：Mg-Mn，Mg-A1，Mg-Zn，Mg-Zr，Mg-Li 和Mg-RE，此外，还有于较高温度下工作的2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铸造镁合金为基体；侧重挤压性能的则一般选用变形镁合金。因纯镁强度低，不适于作为镁基复合材料的基体，一般需要添加合金元素进行合金化。主要合金元素有A1、Zn、Li、Ag、Zr、Th、Mn、Ni 和稀土金属等，其中A1、Zn、Li 较为常用。它们在镁合金中具有固溶强化、沉淀强化、细晶强化等作用，添加少量Al、Mn、Zn、Zr、Be等可以提高强度；Mn可以提高耐蚀性；Zr可细化晶粒和提高热裂倾向；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，还可以大大改善机体镁合金的塑性。近期研究表明，基体采用非晶态镁合金，复合材料的机械性能得到很大的提高，强化机制不是完全清楚，一般认为氧化颗粒改变了基体的断裂机制。

碳纤维由于具有高的强度及弹性模量，良好的润滑及耐磨性能，密度小，成本低等优点而成为目前备受重视的增强纤维。碳纤维一般可按力学性能和制造原料来进行分类。

(1)按力学性能一般可分为四类：

①模量(UHM)碳纤维；

②高模量(HM)碳纤维；

③强度(UHS)碳纤维；

④高强度(HS)碳纤维。

其主要力学性能见表1-2。

(2)按原材料可分为聚丙烯腈(PAN)碳纤维、沥青碳纤维和人造丝碳纤维，目前结构复合材料中大多数采用PAN碳纤维，而在未来的几年后，PAN碳纤维作为增强体的统治地位将会受到中间相沥青基碳纤维的挑战。

2、纤维增强镁基复合材料的制备

当前，制备纤维增强镁基复合材料的工艺方法分为固相法和液相法。

(1)固相法 固相法有扩散粘结法、热压法、粉末冶金法以及拉拔法。扩散粘结法是把处理过的碳纤维制成中间原料，然后将这些中间原料重叠起来，在真空中加热制得纤维增强金属复合材料。中间原料有两种，一种是排好的长纤维上充分粘附基体金属，制成的箔状预浸料，另一种是长纤维束连续浸透熔融的液态金属形成的线状原料。扩散粘结法利用了金属的塑性变形和自身扩散作用，可制得质量较好的纤维增强金属基复合材料。热压法是一种通过压实和结合来制造低成本复合材料板才的热等温轧制过程。该方法需要在保护气氛下进行。粉末冶金法是预先将纤维和基体粉末充分均匀混合，而后经成型干燥热压，制成纤维增强金属基复合材料。拉拔法是一种通过压实和结合来制造复合材料的热等温连续抽拉工艺。可以生产各种棒材管材等。

(2)液相法 液相法源于上世纪60 年代，80 年代末到90 年代中期得到了长足的发展。与固相法相比，液相法制造纤维增强金属基复合材料具有一次成型、质量稳定和成木低廉等优点，被认为是潜力和较成功的方法。液相法有压力浸渗法、真空压力浸渗法、常压铸造法以及无压浸渗法。压力浸渗法是依零件的形状制作增强体预制块，将预制块放入铸型，在重力或一定附加压力作用下使浇入的液态金属渗入预制块的制备工艺。压力浸渗法在小型零部件制造中使用较普遍。采用这种方法时增强体预制型的制作及其相关的模具设计非常重要。对制备方法的研究大量集中在改善工艺参数方面，如预制体的温度和挤压压力等。由于铸造法工艺简单，制品价格相对低廉，因此比较适合于规模的工业性生产。

真空压力浸渗法是近年发展起来的制备精细结构复合材料的方法，实质是利用大气压力来促进液体金属与增强体的结合。使用此方法时，先将预制体放入模具内抽真空，然后施加5-l0MPa 的压力将熔融的金属液体压入模具内，直至金属液完全浸透预制体，待冷却后即可得到纤维增强的金属基复合材料。该方法的压力易控制，强度均匀，不易引起预制体变形、破坏，可以实现近似无余量成型，特别适合于性能要求高的复杂精密制件，但存在设备昂贵、工件尺寸受限制以及生产效率低等缺点。

无压浸渗法(Presureless melt infiltration)是指在高温下金属熔体依靠毛细管力作用向多孔预制体内渗透，包括物理熔渗和化学熔渗两种。物理熔渗的基本原理和工艺过程为：增强相与镁合金液接触，在一定的气氛、合金成份和工艺温度条件下，金属对增强材料的润湿性增强，或金属与预制体内截留的有限容积的气体发生反应造成真空，或两种机制共同作用，使合金熔体自发浸渗到增强体材料中，制得镁基复合材料。化学熔渗的基本原理和工艺过程为；将增强相的组分元素或其化合物充分混合制成压坯，置于镁合金液中，在高温下直接与合金液发生反应生成增强相，均匀分布在镁合金液中，形成镁基复合材料。http://www.dgzhenghang.com.cn