基于鎂基納米復(fù)合材料合成的研究方法，鎂基納米復(fù)合材料制備
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引言鎂基納米復(fù)合材料是一類新型輕質(zhì)高性能材料，主要由于其密度低，在汽車、航空航天、太空、電子、體育和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
由于該材料的合成相對(duì)困難，因此它清楚地提供了對(duì)迄今為止不同研究人員設(shè)計(jì)和采用的合成鎂基納米復(fù)合材料的不同技術(shù)的見解。 MMNC的整體加工通常采用一次加工和二次加工相結(jié)合的方式。初級(jí)加工主要涉及通過固體、半固體或液體加工路線進(jìn)行MMNC 錠的初始配方和生產(chǎn)。然后，進(jìn)行塑性變形或臨界塑性變形等二次加工，以減少不均勻性、顆粒團(tuán)聚和制造缺陷，從而提高M(jìn)MNC的性能。我們將詳細(xì)討論MMNC 的不同制造方法及其優(yōu)點(diǎn)和局限性。
鎂基復(fù)合材料由于其重量輕、強(qiáng)度重量比高、延展性、硬度、耐磨性和生物可降解性，鎂基復(fù)合材料的研究在過去40 年中經(jīng)歷了持續(xù)增長(zhǎng)。鎂基材料目前主要應(yīng)用于汽車、航空航天、電子、體育和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。對(duì)鎂基納米復(fù)合材料進(jìn)行深入研究的驅(qū)動(dòng)力是利用它們來減少全球變暖、能源消耗以及土地、空氣和水的毒性。納米長(zhǎng)度尺度的增強(qiáng)層的存在導(dǎo)致顆粒細(xì)化，直徑小于100納米的納米顆粒纖維的存在導(dǎo)致孔頁(yè)增強(qiáng)和奧羅賓增強(qiáng)。
MMNC的初級(jí)處理可以分為兩類：異地路由和就地路由。在MMNC制造過程中的異地加工中，主要問題是顆粒聚集。在液體和半固體加工過程中，高表面能降低了顆粒纖維對(duì)基體的潤(rùn)濕性。這些聚集的顆粒導(dǎo)致基體內(nèi)的增強(qiáng)材料分布不均勻，導(dǎo)致鑄態(tài)性能較差。這種不均勻的分布只能通過仔細(xì)的二次加工步驟來減少。常見的液體和半固體異位工藝包括攪拌鑄造熔體攪拌、超聲空化、塌陷熔融沉積和流變鑄造。固相異位合成是一種粉末冶金方法，它積累了軋輥連接的劇烈塑性變形和攪拌摩擦加工的塑性變形。原位工藝消除了鋼筋的聚集，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩庸み^程中通過熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)分散在基體中。
通過異位途徑加工的MMNC通常會(huì)表現(xiàn)出枝晶、孔隙和微裂紋等微觀結(jié)構(gòu)缺陷。這些需要仔細(xì)表征并使用二次處理技術(shù)來提高最終應(yīng)用所需的性能。常見的二次加工有熱處理、熱擠壓、熱軋、等通道方壓、循環(huán)擠壓壓實(shí)等。生產(chǎn)鎂基納米復(fù)合材料的加工方法通常涉及初級(jí)加工和二次加工的組合。在初級(jí)加工中，將基體材料和增強(qiáng)材料混合，并施加熱能或機(jī)械能以形成復(fù)合材料。
在初級(jí)加工過程中，復(fù)合材料中引入了一些不良影響，例如鋼中的孔隙率和空隙分布不均勻。為了最大限度地減少這些缺陷，采用二次加工來獲得相對(duì)均勻的微觀結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的機(jī)械性能。初級(jí)加工技術(shù)可分為液體、半固體和固體加工類型。液體工藝包括攪拌鑄造、超聲空化、塌陷熔融沉積和原位加工。流變鑄造是半固態(tài)復(fù)合材料的主要工藝。地球制造包括粉末冶金(PM)、累積輥壓結(jié)合和攪拌摩擦加工。
為了加工MMNC，將鎂錠放入石墨或鋼坩堝中，并在電阻爐或感應(yīng)爐中在680 至750C 的溫度下熔化。使用帶涂層的葉輪對(duì)液體熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌。葉輪具有涂層，可防止化學(xué)反應(yīng)造成的磨損和腐蝕。預(yù)定量的納米增強(qiáng)材料沿著渦流的側(cè)面被引入到熔融金屬中。液體渦流內(nèi)表面和外表面之間的壓力差將增強(qiáng)材料分布到熔體中。為了避免氧化點(diǎn)火，使用惰性氣氛保護(hù)渦流。為了克服團(tuán)聚，在添加之前將鎂粉和納米增強(qiáng)材料一起球磨。將液體漿液攪拌10分鐘以使混合物均勻化。均化后，將液體漿料倒入永久模具中。
超聲空化攪拌鑄造技術(shù)的主要缺點(diǎn)之一是由于表面能較大，無(wú)法避免納米增強(qiáng)材料的團(tuán)聚。這降低了最終復(fù)合材料的機(jī)械性能。超聲波空化是將增強(qiáng)材料分散到MMC基體材料中的相對(duì)有效的技術(shù)。通過引入低至1 的功率和頻率范圍。在UST工藝中，鎂合金被放置在石墨坩堝中并使用電阻感應(yīng)爐加熱到所需的溫度。根據(jù)顆粒尺寸添加預(yù)定量的增強(qiáng)材料。在加工過程中，鎂熔體用氬氣保護(hù)以避免氧化。
使用強(qiáng)大的超聲波沖擊波在半固態(tài)溫度下將納米顆粒完全分散在熔體中。選擇超聲處理溫度以增強(qiáng)模具內(nèi)漿料的流動(dòng)性。焊頭的材料選擇在MMNCs的熔化過程中起著重要作用，因?yàn)楹割^的表面在液態(tài)金屬熔化過程中會(huì)受到侵蝕。為了改善MMNC 的超聲處理，研究人員推薦使用鈮和鈦。與基礎(chǔ)焊頭相比，鈦基焊頭成本較低，因此廣泛用于UST 加工。
請(qǐng)注意，盡管基礎(chǔ)焊頭的楊氏模量隨溫度變化略有變化，但基礎(chǔ)焊頭在MMNC 熔化中非常穩(wěn)定，因?yàn)門i 不溶于Mg。初步研究結(jié)果表明，高強(qiáng)度UST 振動(dòng)需要100Wcm 的強(qiáng)度。對(duì)于大批量生產(chǎn)，超聲處理要求可能更高。 MMNC 的大規(guī)模生產(chǎn)需要大量的功率和頻率。關(guān)鍵問題是減少UST 期間的熔體體積以降低超聲處理速率。這可以通過兩個(gè)步驟來完成。增強(qiáng)材料用于制備熔體，并將熔融液體輸送至焊頭輔助UST室以破壞顆粒簇。
流變鑄造技術(shù)流變鑄造是一種半固態(tài)鑄造工藝，其中基材在液相線-固相線區(qū)域進(jìn)行加工。在這個(gè)所謂的半固體區(qū)域中，添加增強(qiáng)材料顆粒并將所得漿料充分?jǐn)嚢枰源_保增強(qiáng)材料的均勻分布。攪拌后，將半凝固復(fù)合材料熔體搗入永久模具中。通常對(duì)漿料進(jìn)行洗滌和脫氣，以避免氧化和夾雜物形成。鎂MMNC 和Al2O3n 采用半固態(tài)流變鑄造工藝合成。將鎂錠放入涂有氮化硼的低碳鋼坩堝中。使用電阻爐在750C 的金屬坩堝中形成熔體。使用氬氣對(duì)漿料進(jìn)行脫氣以避免氧化。
然后將增強(qiáng)材料在半固態(tài)溫度下添加到漿料中。使用機(jī)械攪拌器攪拌漿料。然后將MMNC 漿液注入永久模具中以進(jìn)行進(jìn)一步表征。粉末冶金是鎂基納米復(fù)合材料最常用的固相合成方法之一。第一步是將金屬合金和粉末陶瓷顆�；旌弦孕纬删鶆虻幕旌衔��；旌蠀�(shù)根據(jù)金屬合金和增強(qiáng)粉末之間的密度差來確定。然后使用冷壓機(jī)、熱壓機(jī)或熱等靜壓機(jī)將混合粉末壓實(shí)。通過加熱至預(yù)定溫度來燒結(jié)生坯以恢復(fù)其機(jī)械性能。 PM 技術(shù)可以生產(chǎn)具有簡(jiǎn)單幾何形狀的近凈形部件。
使用粉末冶金技術(shù)合成了幾種鎂基合金，包括傳統(tǒng)的和納米復(fù)合材料。典型的加工步驟包括使用行星式球磨機(jī)在有或沒有鋼球的情況下以200rpm的速度混合或機(jī)械合金化預(yù)定量的金屬和陶瓷粉末1小時(shí)。將混合過程中得到的復(fù)合粉末采用100T液壓機(jī)進(jìn)行壓制，得到直徑35mm、高度40mm的坯料。壓實(shí)鋼坯可以使用傳統(tǒng)熔爐或微波燒結(jié)進(jìn)行燒結(jié)。微波燒結(jié)期間的加熱時(shí)間保持在16分鐘�？墒褂脗鹘y(tǒng)微波爐，功率9kW，工作頻率45GHz。將1 毫米和0.5 毫米厚的實(shí)心鋁和AZ31 鎂條切割成150 x 50 毫米的矩形條。帶材在400C 下退火2 小時(shí)，然后將爐子冷卻至接近環(huán)境溫度，以在軋制前軟化帶材。在軋制之前，板材要經(jīng)過研磨、拋光、脫氣和清潔。
Al 和納米氧化鋁粉末與直徑為0.5 mm 和1 mm 的鋼球一起在鋼筒中進(jìn)行凈化。鋁粉以300 rpm 的轉(zhuǎn)速和20:1 球粉比研磨6 個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)持續(xù)45 分鐘，停留時(shí)間為15 分鐘，以消除不需要的溫度升高。研磨后的鋁氧化鋁顆粒均勻分布在帶材之間，以改善潤(rùn)濕性。以AlAZ31Al的形式進(jìn)行層壓，中間帶有增強(qiáng)粉末。煙囪用銅線固定，防止滑落。將組件放入空氣烘箱中，在300-350C 的溫度范圍內(nèi)預(yù)熱15 分鐘。滾動(dòng)進(jìn)行了四次，每個(gè)滾動(dòng)階段都保持了50%的減排量。攪拌摩擦加工是一種利用固體塑性變形的合成方法。它可用于構(gòu)建具有納米復(fù)合材料層的表面復(fù)合材料以及具有有限厚度尺寸的塊體復(fù)合材料。這通常會(huì)增強(qiáng)顆粒尺寸的均勻分布并產(chǎn)生精細(xì)的結(jié)果。 FSP 工藝使用旋轉(zhuǎn)肩裝工具穿過含有納米陶瓷顆粒的基體。在工具的平移運(yùn)動(dòng)過程中，基體金屬發(fā)生塑性變形，同時(shí)鋼棒融入到基體金屬中。
切割尺寸為60010010mm的Mg矩形板以生產(chǎn)復(fù)合材料。將陶瓷顆粒鋪展到寬度和深度為1.2 x 5 mm 的板凹槽中，并使用兩種不同的肩部工具形成復(fù)合材料。一種不帶銷肩，另一種有肩，高度為5 毫米，銷直徑為6 毫米。
這一結(jié)論提供了對(duì)鎂納米復(fù)合材料的深入了解，鎂納米復(fù)合材料正在成為從航空航天、汽車到體育產(chǎn)業(yè)等許多重量敏感工程應(yīng)用的潛在候選者。它不僅比鋁或鈦輕得多，而且還可以使用傳統(tǒng)和先進(jìn)的加工方法進(jìn)行加工。攪拌鑄造是最傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，可將納米顆粒均勻分散在鎂基體中。已經(jīng)嘗試使用超聲波空化作為分散納米增強(qiáng)材料的手段進(jìn)行改進(jìn)，并取得了有希望的結(jié)果。
塌陷熔融沉積技術(shù)已被證明是最有效的，因?yàn)樗梢院芎玫胤稚⒓{米添加劑，改善微觀結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生優(yōu)異的機(jī)械性能。 DMD 也是一種可擴(kuò)展的技術(shù)。另一種制造鎂基納米復(fù)合材料的方法稱為原位鑄造，該方法在鑄造過程中利用化學(xué)反應(yīng)形成納米級(jí)金屬間化合物。
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