陈小伟，张保丰，马志国，李嘉熙

(1.黄河科技学院 工学部，河南 郑州 450063; 2.郑州市纤维增强高分子基复合材料重点实验室，河南 郑州 450063)

金属基复合材料既具有金属的特性，又具有陶瓷的特性，相比传统金属材料来说具有优异的力学和物理性能，具有较大的材料设计自由度，逐渐成为国内外材料工作者研究的重点课题。继铝基复合材料后，镁基复合材料是又一具有竞争力的轻金属基复合材料，在航空航天、汽车、核工业及电子封装等领域具有很好的应用前景。

1 镁基复合材料常用制备方法

镁基复合材料常用的制备方法有搅拌铸造法、熔体浸渗法、粉末冶金法、原位反应自生法及喷射沉积法等多种[1]。

1.1 搅拌铸造法

固态搅拌铸造法一般分为液态搅拌铸造、半固态搅拌铸造和流变铸造，是在机械搅拌作用下，把增强体强制引入由搅拌引起的基体熔体漩涡，使增强体充分弥散到基体熔体中。液态搅拌铸造法在搅拌过程中由于产生负压容易吸气而形气孔。半固态搅拌铸造可以降低凝固收缩和宏观偏析，增强相分布也比较均匀，而且该工艺成型温度较低，可以避免高温氧化烧损，是最有希望应用于大规模工业生产的工艺。流变铸造是在半固态下加入增强相，升温至液相线以上后搅拌，然后再冷却浇注的生产工艺。

S.Jayalakshimi[2]等用搅拌铸造法制备了A12O3纤维/AM l00镁合金基复合材料，但实验结果表明材料呈脆性断裂，强度略有降低，分析其原因主要是由于铸造过程中出现了如偏聚、孔洞等缺陷所致。常海[3]等人利用半固态搅拌铸造法制备了短碳纤维/AZ91镁合金复合材料，制备的复合材料经热挤压后碳纤维沿挤压方向定向排列，强度随碳纤维体积分数的增大而增加。

1.2 熔体浸渗法

熔体浸渗法包括压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗[1]。压力浸渗是把金属基体熔体倒入预先成形增强相形体中，然后施加一定压力，使熔体浸渗到预制坯体间隙从而达到复合的目的。无压浸渗是将金属基体熔体倒入预制增强相坯体后，不施加任何压力，仅靠单纯毛细渗透制得的复合材料。负压渗透是靠增强相预制块造成的真空环境产生的负压来实现金属熔体的浸渗。熔体浸渗法的优点是复合材料中增强相的体积分数不受其在金属基体中固溶度的限制，但不可避免出现基体与加入相界面润湿不完全的现象。

Mingyi Zheng[4]等利用压力浸渗法制备了性能良好的硼酸铝晶须/AZ9l镁合金基复合材料。金头男[5]等利用压力浸渗法成功制备了SiCw+B4Cp/AZ91镁合金复合材料。Hu Lianxi[6]等利用熔体浸渗法制备了SiCw/ZK51A镁合金基复合材料，制备过程中先经低压浸渗完全后又在高压下进行压制成型，研究结果显示该材料力学性能优良。

1.3 粉末冶金法

粉末冶金法是目前制备镁基复合材料常用方法之一，该方法是把增强相和镁基体粉末进行机械混合后在模具中冷压制成坯体，之后在真空状态下加热至固-液两相区进行热压烧结，最终成型的一种制备工艺。粉末冶金法的优点是增强体类型不受限制，可以在镁基体内均匀分布，避免铸造中出现成分偏析，增强体与基体成分可以任意配比，制备过程温度较低，可以避免高温氧化等现象。但粉末冶金法工艺和设备复杂，成本也比较高，也不适合用来制备形状复杂的零件。

任富忠[7]等制备了碳纤维/镁基复合材料，碳纤维经过镀镍处理后与镁界面结合良好，抗拉强度比纯镁的提高了13%。郗雨林[8]等进行了SiC和TC4增强镁基复合材料的研究，选用MB15镁合金作为基体材料，研究结果表明添加SiC和TC4均提高了基体材料的强度。张斌[9]等利用粉末触变法制备了石墨烯/ZK61镁合金基复合材料，该课题组为解决石墨烯团聚问题，在粉体混合之前，用冰乙酸对镁合金粉末进行处理，使其形成金属阳离子，与氧化石墨烯负离子静电相吸，解决石墨烯团聚问题，随后将混合均匀的粉末通过粉末冶金法制备成复合材料。沈金龙[10]等人采用粉末冶金的方法成功制备了多壁碳纳米管增强镁基复合材料。

1.4 热挤压法

热挤压法制备镁基复合材料是将镁粉体材料和增强相经过机械混合后，通过采用热挤压的方式制备复合材料。该方法可以降低镁的烧损率，改善增强相的分布，从而改善复合材料的性能，

魏帅虎[11]等采用多道次热挤压技术制备了Al2O3/AZ31镁合金基复合材料，研究了挤压道次对复合材料组织和性能的影响。经过多道次热挤压成型的复合材料，Al2O3颗粒均匀地分布在AZ31镁合金基体中，复合材料的硬度和强度都得到显著提高。

1.5 喷射沉积法

喷射沉积法是把液态金属在高压惰性气体喷射下雾化，形成熔融的金属喷射流，同时将增强相颗粒喷入射流中，使固、液两相混合并共同沉积到经预处理的衬底上，快速凝固得到镁基复合材料[12]。利用喷射沉积法制备的复合材料增强相分布均匀，晶粒细小，但孔隙率较高，需二次加工。

K.F.Ho[13]等利用喷射沉积制备了铜颗粒增强AZ91镁合金基复合材料，随后又进行了热挤压加工，研究结果显示复合材料的力学性能得到明显改善。C.Y.H.Lim[14]等利用喷射沉积法制备了镁与纳米Al2O3组成的复合材料，研究了该复合材料的摩擦磨损性能。

1.6 原位反应自生法

原位反应自生法是在制备金属基复合材料的过程中发生反应形成增强相的工艺。该法制备的复合材料其增强相与基体的相容性好，分布均匀，是目前金属基复合材料研究的一个热点。但反应物的选择和工艺控制仍然是个难点。

Q.Dong[15]等利用原位反应自生法制备了TiC/Mg基复合材料。复合材料以单相的Ti与C为添加元素加入熔融的镁液，使Ti和C发生反应形成TiC，从而形成TiC/Mg基复合材料。陈晓[16]利用原位反应自生法制备了TiC、MgO和Mg2Si颗粒增强镁基复合材料。

1.7 注射成型法

注射成型技术是将低熔点合金进行熔化后，以高速、高压把熔体注射入金属模具内成形的技术。近年来，在镁合金产品成型中不断得到应用。张婷[17]等人利用触变注射成形法制备石墨烯纳米片(GNPs)/AZ91镁合金基复合材料，并对复合材料的微观组织进行了观察，对复合材料的力学性能进行了测试。研究结果显示，GNPs与基体结合良好，GNPs能够细化晶粒、减少孔隙率，明显提高了复合材料的强度和硬度。

2 镁基复合材料常用增强相

镁基复合材料主要由镁基体、增强相以及基体与增强相之间的接触面-界面组成。增强体主要有碳系材料、Al2O3颗粒或短纤维、SiC晶须或颗粒、B4C颗粒等。

2.1 碳系材料

作为碳系材料的碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，由于具有优异的力学性能，已成为复合材料优先考虑添加的增强相之一。

李坤[18]等通过Sol-Gel法在碳纤维表面制备了均匀的、无裂纹的SiO2涂层，利用涂层后的碳纤维制备了镁基复合材料，研究表明SiO2涂层改善了Mg对碳纤维的润湿能力。Reischer等[19]利用液态浸渗法制备了碳纤维增强镁基复合材料，碳纤维经过BN涂层处理后与镁有很好润湿性，制得的复合材料力学性能优异。杨钊[20]等人将AZ31镁合金屑与短碳纤维(SCFs)采用机械混合后进行热压，随后在不同温度进行热挤压，制备了SCFs/AZ31镁合金基复合材料，研究了挤压温度对复合材料力学性能的影响。

覃嘉宇[21]等制备了质量分数为0.1%碳纳米管(CNTs)的AZ91镁基复合材料。 先通过低温粉末冶金成型后，再利用热挤压方法制备成复合材料，在制备的复合材料中CNTs分布均匀，晶粒得到细化，复合材料的强度较基体有了明显的提高。宋正祥[22]利用电泳沉积工艺将CNTs沉积在镁箔表面，利用真空热压烧结制备CNTs/Mg基复合材料，再通过挤压、轧制等手段对复合材料组织结合进行调控，获得性能良好的CNTs/Mg基复合材料。

周霞[23]等人采用动力学法对石墨烯纳米片增强镁基复合材料的力学性能进行研究，研究结果表明，复合材料的弹性模量、最大拉伸应力和断裂应变均显著增大。王剑[24]等人利用纯镁粉体和石墨烯粉体采用电场压力激活辅助烧结工艺制备了石墨烯/Mg基复合材料，研究结果显示，石墨烯添加的质量分数为0.1%时，复合材料的强度、硬度、电导率、耐腐蚀性能均有较大的提高。

2.2 SiC颗粒或晶须

SiC颗粒或晶须在增强镁基复合材料中的应用是目前研究最多、最常用的增强相之一，SiC颗粒与Mg基体有良好的润湿性，在通常的工艺条件下不与基体发生反应。SiC在镁基复合材料中的强化机制主要有增强体强化、析出强化和细晶强化。SiC能显著提高复合材料的强度和弹性模量。

郗雨林[25]等用粉末冶金法分别制备了SiC晶须增强MB15镁合金基复合材料和SiC颗粒增强镁基复合材料，并对材料的组织和性能进行的研究和分析。阮爱杰[26]等制备了SiC颗粒增强镁基复合材料。研究结果显示SiC颗粒在基体中分布均匀，材料的阻尼性能得到了改善。程建锋[27]采用半固态搅拌铸造法制备了体积分数为30%的SiCp/AZ91镁合金基复合材料，对复合材料中SiC颗粒的分布和SiC颗粒与基体结合界面进行了观察和分析。

2.3 B4C颗粒

B4C颗粒在镁基体中分布较均匀，界面稳定，成本低，并具有良好的耐腐蚀性能，具有很大的应用潜力。刘炎[28]利用压力浸透法制备了碳化硼颗粒增强AZ91镁合金基复合材料和碳化硼颗粒增强Mg基复合材料，制备的复合材料组织致密，B4C颗粒宏观分布比较均匀，研究发现B4C颗粒与基体界面处发生了反应形成了MgB2。胡望杰[29]等采用机械搅拌法制备了B4C/AZ61镁合金基复合材料，研究了复合材料的蠕变性能和磨损性能，研究结果显示，B4C颗粒的添加使得AZ61镁合金的蠕变性能得到改善，抗磨损性能得到明显提高。

2.4 Al2O3颗粒或纤维

Al2O3加入镁合金中会发生反应形成MgO，在界面上还会形成共晶Mg17Al12相。盛绍顶[30]等利用快速凝固法制备了AZ91镁合金粉末，然后用粉末冶金法制备了Al2O3颗粒增强AZ91镁合金基复合材料，研究了复合材料的显微组织、相组成和力学性能，研究结果表明，Al2O3颗粒分布均匀，复合材料在室温和高温均表现较好的力学性能。范艳艳[31]等采用全液态搅拌法制备了Al2O3颗粒增强AZ91D镁合金基复合材料，研究结果表明，加入Al2O3后，复合材料晶粒明显细化，硬度高于AZ91D镁合金的。

2.5 WC颗粒

WC颗粒具有硬度高、熔点高、热稳定性好等特点，常作为硬质合金重要的添加原料。杨永潇[32]等人利用粉末冶金法制备WC/AZ91镁合金基复合材料，对复合材料的微观组织和力学性能进行了分析。研究结果显示，当加入质量分数2%WC时制备的复合材料具有良好的综合力学性能。

3 总结和展望

镁作为目前最轻的金属实用结构材料，在航空航天、汽车、电子等领域越来越受到青睐。镁基复合材料是国内外材料工作者竞相研究的热点课题之一。虽然目前对镁基复合材料的研究已取得很多成果，但仍然存在诸多问题，限制了镁基复合材料的广泛应用。比如：复合材料结合界面处增强相与基体相容性差，降低材料的强度；镁基复合材料耐腐蚀性差；纳米增强相团聚等问题还有没得到很好解决。未来镁基复合材料的研究应从产业化生产与应用入手，着重解决在生产过程中存在的工艺复杂难题，加大增强相与基体界面反应机制研究等；推广镁合金基复合材料的应用，将来在各个领域应用的前景是看好的。