輕質高強Mg-Li基復合材料研究進展

王紅亮，邱智海

（湖南有色金屬職業技術學院，湖南 株洲 412006）

隨著國家節能減排戰略的提出及全球范圍內出現能源緊張問題，輕量化是未來高科技產業器件和裝置一個重要的發展方向。因此開發輕質高強材料成為目前各國科學家亟需解決的一個熱點。超輕Mg-Li合金作為目前最輕的金屬結構材料，是實現輕量化的首選材料之一。Mg-Li合金的密度一般為1.30-1.65g/cm3，僅為Al合金的50%，傳統Mg合金的75%。Mg-Li合金超輕的優勢，這是目前任何合金所無法比擬的。

1 Mg-Li基復合材料常見基體和增強體

1.1 基體合金

眾所周知，復合材料的塑性相比于基體合金自身塑性下降顯著，嚴重影響其后面的塑性加工成形。因此國內外科學家選用塑性好的單相（β）和雙相（α+β）Mg-Li合金作為基體。目前，研究較多的主要有Mg-8Li、Mg-9Li、Mg-10Li、Mg-12Li等幾種二元Mg-Li合金以及Mg-8Li-3Al、Mg-11Li-3Al、Mg-14Li-1Al三 元 Mg-Li-Al合金等。

1.2 增強體

目前，很多學者開發了增強顆粒為Al2O3、SiC、B等Mg-Li基復合材料，但研究結果表明，上述增強顆粒由于與基體合金在物理特性等方面的差異懸殊而導致復合材料界面相容性不好，從而導致其塑性較差。

（1）C纖維。因具有低密度和高強度的特性，C纖維是輕質高強Mg-Li基復合材料首選增強體之一。但研究發現，Mg-Li-C系統的熱力學性質不穩定，C纖維與Mg-Li合金迅速反應生成Li2C2化合物，因而嚴重損傷C纖維，增強效果不是很理想[1]。

（2）Al2O3。1989年，英國劍橋大學的Mason等利用壓力浸滲法制備Al2O3纖維增強Mg-Li基復合材料，研究發現，由于Li的擴散速率高、化學性質活潑易與增強相發生界面反應，如與Al2O3纖維中粘結劑SiO2反應生成Mg2Si相，從而弱化了增強效果。

（3）B或B4C顆粒。馬春江等用粉末冶金法成功制備出增強顆粒B分布均勻的Mg-14Li-B復合材料。但該方法工藝過程冗長、合金粉末制備困難、制備成本高。

（4）MgO/Mg2Si顆粒。山東大學的盧慶亮等通過液態原位反應合成法制備MgO/Mg2Si顆粒增強Mg-Li基復合材料，結果發現復合材料中增強粒子與基體界面結合良好，無反應物生成。

（5）SiC晶須。SiC是復合材料中常用的增強體。馬春江等采用真空浸滲法成功制備出SiC晶須增強Mg-Li基復合材料，結果表明合金的抗拉強度顯著提高，但塑性下降顯著且增強相的含量不易控制[2]。

（6）YAl2顆粒。北京航空航天大學王素潔等從金屬間化合物特性入手利用攪拌鑄造法制備了5wt.% YAl2/Mg-Li復合材料。研究了復合材料界面、組織特征和室溫力學性能，結果表明，YAl2顆粒在基體中分布均勻，界面平整沒有明顯的界面反應，提高了合金的力學性能[3]。

1.3 常見Mg-Li基復合材料力學性能

經過查閱相關資料，列出了幾種常見的Mg-Li基復合材料力學性能（見表1）。經對比分析，發現復合材料抗拉強度隨著增強體數量的增加而增加，但其塑性卻顯著降低，限制了其作為結構材料的應用。

表1 幾種典型的Mg-Li基復合材料力學性能

2 Mg-Li基復合材料最新研究進展

Al2O3纖維、B4C顆粒、B顆粒、SiC晶須等增強相可以提高Mg-Li合金的強度，但是增強效果有限或塑性下降顯著，難以滿足工程化應用需求。研究發現，隨著增強體粒徑的減小，復合材料的強化機制會發生改變，進而影響復合材料的性能。Ramakrishna等同時考慮載荷傳遞強化和位錯強化兩種因素的影響，建立了微米顆粒增強金屬基復合材料的屈服強度預測模型。結果發現，該模型的預測值與實驗值比較吻合，SiCp/Al基復合材料的屈服強度隨增強體粒徑的減小而提高，當SiC尺寸減小到一定限度時，復合材料的預測屈服強度近似呈指數增長。但該模型只適用于微米顆粒增強復合材料，對亞微米及納米顆粒增強不適用。

近來北京航空航天大學吳國清課題組等開發了超細顆粒YAl2/Mg-Li基復合材料，發現YAl2與Mg-Li基體合金具有良好的界面相容性，同時超細顆粒突破了原有的強化模式，在顯著提高Mg-Li基復合材料強度的同時保持了較好的塑性，有效提高了Mg-Li基復合材料的綜合力學性能。

3 結語

Mg-Li合金具有高比強度、比剛度及良好的抗電磁屏蔽性等優點在輕量化領域具有廣闊的應用前景。但因其絕對強度低限制了其應用，而復合強化是一個不錯的強化手段。本文系統分析了Mg-Li基復合材料的研究狀況，發現Mg-Li基復合材料也存在復合材料的一些通病，比如界面反應、制備工藝復雜、成本高等。此外發現超細顆粒可以顯著提高復合材料強度的同時還可以保持其較好塑性。這為后面研究Mg-Li基復合材料提供一些參考和方向。