镁科研:纳米颗粒增强镁基复合材料研究进展

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通过合理设计,镁基复合材料可以发挥出增强体和镁基体各自的性能优势,获得比镁合金基体更优的力学性能,如高比强度、比刚度、低膨胀、高导热以及耐高温等。哈尔滨工业大学在国内较早开展了多尺度SiC颗粒、SiC晶须、碳纳米材料、钛颗粒等增强镁基复合材料的相关研究,目前可成功制备大尺寸微米颗粒镁基复合材料(直径~340 mm、高~500 mm)和20公斤级纳米颗粒增强镁基复合材料。

纳米颗粒增强镁基复合材料中增强体添加量少、性能提高幅度大,并且可实现强韧性的同步提升。近日,哈尔滨工业大学王晓军教授、太原理工大学聂凯波教授、邓坤坤教授等人总结了纳米颗粒增强镁基复合材料的研究进展,重点综述了其主要制备方法、二次加工、高温变形机制、力学性能及强化机理等;同时也简要总结了潜在的应用背景,并展望了未来的研究方向。

(1)纳米颗粒尺寸小、比表面能高,极易在镁基体中产生团聚,导致其强韧化效果难以充分发挥。通过半固态搅拌可实现纳米颗粒快速加入到镁熔体中,再利用高能超声处理可克服纳米颗粒间存在的范德华力与毛细管力等,实现纳米颗粒的均匀分散(图1)。

图1 (a) 纳米颗粒间作用力,(b) 半固态搅拌辅助超声波分散

(2)基于微合金化、纳米复合化结合热变形可获得性能优异的纳米颗粒增强镁基复合材料(图2)。与其他类型增强体相比,纳米颗粒对强度的贡献主要体现在其特殊的尺寸效应所产生的晶界钉扎作用、Orowan强化及位错强化。

图2 挤压态TiCp/Mg-2.2Zn-1.8Ca-0.5Mn力学性能与其他镁基复合材料对比:(a) 抗拉强度vs 屈服强度,(b) 屈服强度vs 伸长率

(3)开展大尺寸、高体分、块体镁基纳米复合材料的制备技术、新型原位自生理论与技术、基于纳米颗粒分布调控的构型化设计以及增材制造(3D打印与焊接)等相关方面研究是纳米颗粒增强镁基复合材料极具潜力的发展方向。

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本文作者2021-3-29 13:51
镁途
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