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哈工大鎂合金頂刊綜述：輕質(zhì)高模量鎂及鎂基合金材料！

2022-09-26 15:18:17 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

鎂 (Mg) 和 Mg 合金以其低密度、易回收性、優(yōu)異的阻尼和機(jī)械加工性而聞名，但在彈性模量低、絕對(duì)強(qiáng)度低和耐腐蝕性差方面受到限制。隨著航空航天、汽車(chē)、兵器等現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們迫切需要具有低密度和高剛度的金屬材料來(lái)節(jié)約能源和減少溫室氣體的排放。因此，提高鎂基材料的彈性模量被認(rèn)為是過(guò)去幾十年開(kāi)發(fā)新型高性能鎂基材料時(shí)最關(guān)鍵的問(wèn)題之一。然而，由于彈性模量是某種材料體系的固有特性，盡管投入了大量的努力，但通過(guò)合金化或復(fù)合材料的制造，獲得了有限的模量增量。因此，制備高模量鎂基材料仍然是一個(gè)瓶頸。

從微觀上講，彈性模量取決于原子間的結(jié)合力。因此，它對(duì)熱處理、制造過(guò)程或微小的成分變化不敏感。為了增加這個(gè)值，需要將某些組件引入系統(tǒng)中，這些組件可以改變相鄰原子之間的相互作用。目前，主要有兩種方法可以顯著提高 Mg 的彈性模量：(i) 通過(guò)摻入 Al、Li、Ge 、Pb 、Si 、Y 、Ag、Zn 和稀土（RE）元素進(jìn)入鎂基體；(ii) 通過(guò)加入高模量增強(qiáng)材料如陶瓷顆粒（Al 2 O 3 、SiC 、B 4 C 、AlN來(lái)制造 Mg 基復(fù)合材料、WC 、MgO、TiB 2、Si 3 N 4、ZrO 2、TiC、SiO 2等）、晶須（Mg 2 B 2 O 5、Al 18 B 4 O 33、Al 2 O 3 , SiC , etc.) 和長(zhǎng)纖維 (C , Ti , Al 2 O 3 , TiNi等）進(jìn)入復(fù)合系統(tǒng)。盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多鎂基材料，但實(shí)現(xiàn)了有限的模量增量，特別是在鎂合金中。通常，鎂合金與純鎂相比，楊氏模量提高不到25%，遠(yuǎn)小于相同比例合金元素引起的強(qiáng)度增量。鎂基復(fù)合材料的模量增強(qiáng)相對(duì)鎂合金高，增強(qiáng)效率很大程度上取決于所采用的增強(qiáng)材料。目前，以連續(xù)纖維增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料具有較高的模量，而采用晶須和顆粒增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料的模量增量要小得多。無(wú)論如何，鎂基復(fù)合材料的上限遠(yuǎn)高于鎂合金。

在此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王曉軍教授團(tuán)隊(duì)受這些觀察的啟發(fā)，回顧過(guò)去幾十年通過(guò)鎂合金和鎂基復(fù)合材料制造高模量鎂基材料的發(fā)展。綜述了合金化和復(fù)合方法的彈性模量強(qiáng)化機(jī)制。介紹了具有不同析出物的高模量鎂合金，從增強(qiáng)體類(lèi)型、尺寸、體積分?jǐn)?shù)以及增強(qiáng)體與鎂基體的界面結(jié)合條件等方面比較了不同增強(qiáng)體增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能。. 此外，討論了為鎂基復(fù)合材料提出的兩種廣為接受的模量預(yù)測(cè)模型的優(yōu)點(diǎn)和局限性。最后，在彈性模量強(qiáng)化效率的情況下，比較了鎂合金和鎂基復(fù)合材料兩種高模量材料。提出并展望了高模量鎂基材料存在的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)。

相關(guān)研究成果以題“Improving the Young's modulus of Mg via alloying and compositing – A short review”發(fā)表在增材制造頂刊Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956722001797

圖 1 原子間勢(shì)能 ( Ur ) 作為兩個(gè)相鄰原子之間距離的函數(shù)。

圖 2 Mg-Gd-Zn-Zr-Ag-6Al-5Li 合金中 (a) Al 2 Gd 和 (b) Al 2 Li 3相的OM 圖像。插圖是指定相位的 TEM 圖像和相應(yīng)的 SAED 圖案。

圖 3 擠壓態(tài) Mg-Gd-Y-Zn-Mn (-Si) 合金的 OM 圖像和 SEM 圖像。(a)(c) Mg-7Gd-4Y-2Zn-0.5Mn 合金，(b)(d) Mg-7Gd-4Y-2Zn-0.5Mn-0.8Si 合金。

圖 4 高模量鎂基復(fù)合材料中采用的不同類(lèi)型的增強(qiáng)材料。(a) 顆粒，(b) 短纖維和晶須和 (c) 連續(xù)纖維。

圖 5 SiC 顆粒增強(qiáng) AZ91 基復(fù)合材料的 SEM-SE 顯微照片。(a) 低倍率，(b) 高倍率。

圖 6 作為添加的 SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)的典型拉伸性能。(a) 屈服強(qiáng)度 (YS) 和極限抗拉強(qiáng)度 (UTS)，(b) 伸長(zhǎng)率和彈性模量。

圖 7 (a) 鑄態(tài) Al 18 B 4 O 33 W /GWZ1031K 復(fù)合材料的 SEM-BSE 圖像，(b)圖 7 (a)、(c) 和 (d) 中 P 點(diǎn)的 EDS 譜圖 SEM-SE鑄態(tài) Al 18 B 4 O 33 W /GWZ1031K 復(fù)合材料的圖像。