鎂基復(fù)合材料界面調(diào)控研究進(jìn)展

熊京鵬，劉 勇

(南昌大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院 江西省輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031)

鎂作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度只有1.74 g/cm3，在常用金屬中，其密度僅相當(dāng)于鋁的2/3、鋼的1/4。鎂比強(qiáng)度和比模量高，導(dǎo)熱性能及阻尼減震效果優(yōu)良，在電磁屏蔽方面也有突出的表現(xiàn)，并且鎂的儲(chǔ)量豐富，廣泛存在于地殼表層、鹽水湖和海洋中，發(fā)展?jié)摿薮骩1-5]。但是鎂為密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)，只有兩個(gè)獨(dú)立滑移系，不滿足均勻塑性變形的泰勒準(zhǔn)則(均勻塑性變形需要5個(gè)獨(dú)立滑移系)，使得它塑性差[6-8]。改善金屬鎂的性能有合金化和復(fù)合材料兩個(gè)途徑，由于復(fù)合材料借助于各組元的復(fù)合效應(yīng)、增強(qiáng)相的尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng)，在材料的組分、結(jié)構(gòu)和分布等方面具有極強(qiáng)的可調(diào)控、可設(shè)計(jì)、可集成和可兼容等諸多特性，可實(shí)現(xiàn)材料綜合性能的柔性控制，突破單一組分不具備的力學(xué)和功能特性，因此在航空航天和交通運(yùn)輸行業(yè)具有重要的應(yīng)用前景[9-11]。通過鎂與其他性能優(yōu)良的增強(qiáng)體進(jìn)行復(fù)合設(shè)計(jì)制備的鎂基復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高比模量以及優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕和耐高溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過這些年的發(fā)展，鎂基復(fù)合材料已經(jīng)在航空航天、汽車和電子等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[12-16]。

鎂基復(fù)合材料由鎂基體、增強(qiáng)體及鎂基體與增強(qiáng)體之間的界面組成，鎂基體主要是常用的Mg-Al系、Mg-Zn系等鎂合金[17]，常用增強(qiáng)體主要有納米碳材料[18-20]、碳化物[21-23]、氧化物[24-25]、納米晶須[26-27]和一些其他化合物[28-29]。在應(yīng)力轉(zhuǎn)移、晶粒細(xì)化、位錯(cuò)密度增加和Orowan強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)制中，應(yīng)力轉(zhuǎn)移是鎂基復(fù)合材料的主要強(qiáng)化機(jī)制，而界面是連接鎂基體與增強(qiáng)體的“紐帶”，維持著載荷從基體向增強(qiáng)體的轉(zhuǎn)移，是傳遞應(yīng)力與扭矩等信息的橋梁，界面結(jié)合強(qiáng)度在很大程度上決定了鎂基復(fù)合材料最終的力學(xué)性能[30-31]。因此，界面在鎂基復(fù)合材料當(dāng)中顯得十分重要，通過各種界面調(diào)控與優(yōu)化手段改善界面結(jié)合、提高鎂基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，是目前鎂基復(fù)合材料極其重要的研究方向。

本文將鎂基體與增強(qiáng)體之間的界面分為共格界面、半共格界面和非共格界面三類，研究了影響界面結(jié)合的兩個(gè)關(guān)鍵因素：界面潤濕狀態(tài)和界面反應(yīng)，提出了良好潤濕性與弱界面反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)良好界面結(jié)合的準(zhǔn)則，展望了未來界面優(yōu)化與調(diào)控新思路。

1 鎂基體與增強(qiáng)體的界面類型

復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)體接觸構(gòu)成的界面，是一層具有一定厚度(納米以上)、結(jié)構(gòu)隨基體和增強(qiáng)體而異的、與基體有明顯差別的新相——界面相(界面層)[32]。界面是將應(yīng)力和扭矩從基體傳遞到增強(qiáng)體的“橋梁”，這種轉(zhuǎn)移應(yīng)力和扭矩的能力決定增強(qiáng)體對基體的強(qiáng)化效果。復(fù)合材料的界面形成有兩個(gè)過程，一是熔融基體與增強(qiáng)體接觸、浸潤的過程，二是基體與增強(qiáng)體通過相互作用或者相互擴(kuò)散使界面固定的過程。增強(qiáng)體與基體之間的界面可以通過錯(cuò)配度來進(jìn)行分類，錯(cuò)配度計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：aα和aβ分別表示相界面兩側(cè)α相和β相的點(diǎn)陣常數(shù)，且aα>aβ。當(dāng)δ<0.05時(shí)，形成的界面稱為共格界面；當(dāng)0.05≤δ≤0.25時(shí)，基體與增強(qiáng)體之間則形成半共格界面；當(dāng)δ>0.25時(shí)，基體與增強(qiáng)體之間的界面稱為非共格界面(圖1)[33]。

圖1 鎂基體與增強(qiáng)體的界面類型[33] (a)非共格；(b)半共格；(c)共格Fig.1 Interface between the reinforcement and the magnesium matrix[33](a)incoherent；(b)semi-coherent；(c)coherent

1.1 共格界面

界面兩側(cè)原子成一一對應(yīng)的完全匹配，即界面上的原子同時(shí)處于兩相晶格的節(jié)點(diǎn)上，為相鄰兩晶體所共有，這種界面稱為共格界面，其界面模型如圖1(c)所示。共格界面是一種無畸變的具有完全共格的界面，其界面能很低，符合形核的最低能量原則，有利于形核，但是理想的完全共格界面只有在孿晶界且孿晶界即為孿晶面時(shí)才可能存在。在界面上，每個(gè)質(zhì)點(diǎn)需同時(shí)與兩側(cè)晶體表面質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行鍵合，其中點(diǎn)陣位置的不一致性會(huì)增加界面原子的能量，產(chǎn)生界面能的大小與點(diǎn)陣位置不一致的程度有關(guān)，當(dāng)界面上的原子間距差別不大，界面上點(diǎn)陣是能夠通過一定的畸變保持共格，相應(yīng)引起的點(diǎn)陣扭曲稱為共格畸變或共格應(yīng)變。對鎂基體與增強(qiáng)體而言，由于其點(diǎn)陣常數(shù)不相等，在自然界中還未發(fā)現(xiàn)鎂基體與增強(qiáng)體之間存在共格界面。

1.2 半共格界面

當(dāng)鎂基體與增強(qiáng)體界面處的晶面間距相差較大，則在界面上不可能做到完全的一一對應(yīng)，于是界面上產(chǎn)生了一些位錯(cuò)以降低界面的彈性應(yīng)變能，如圖1(b)所示，這種界面稱為半共格界面。在常用的鎂基復(fù)合材料增強(qiáng)體中，通過透射電鏡的觀察與錯(cuò)配度計(jì)算發(fā)現(xiàn)SiC，MgO等與鎂基體存在半共格的界面結(jié)合關(guān)系。

SiC是最常用的鎂基復(fù)合材料增強(qiáng)體，其力學(xué)性能優(yōu)良，并且具有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性。SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料在航天航空與汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[34-35]。SiC除了性能上的優(yōu)勢之外，其與鎂基體的原子匹配關(guān)系也較為良好，界面結(jié)合強(qiáng)度較高。Chen等[1]通過高分辨率透射電鏡(HRTEM)觀察到納米SiC與鎂之間是半共格的界面結(jié)合關(guān)系，說明SiC與鎂之間存在較強(qiáng)的界面鍵合。Yang等[36]利用邊-邊匹配晶體學(xué)模型(E2EM)，計(jì)算模擬了SiC與Mg的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)SiC與鎂合金的錯(cuò)配度較小，原子間的錯(cuò)配度fr<6%，晶面錯(cuò)配度fa<10%，符合半共格界面匹配關(guān)系，并且這種半共格的界面匹配關(guān)系使得SiC能夠成為鎂的優(yōu)良異質(zhì)形核劑，細(xì)化了基體晶粒，提高SiC增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能。而Luo[37]的研究進(jìn)一步指出，Mg與SiC的低錯(cuò)配度可以使初生α-Mg在SiC上形核，其生長的位向關(guān)系為：(111)SiC∥(0001)Mg。

MgO是鎂合金熔煉過程中存在的金屬氧化物夾雜物，為了證實(shí)原位生成的MgO能夠細(xì)化晶粒，Wang等[38-39]通過加壓熔融過濾技術(shù)來收集局部濃縮的MgO顆粒，利用HRTEM觀察到MgO與α-Mg之間存在兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)(ORs):

對于ORⅠ和ORⅡ兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)，MgO與α-Mg在界面處的錯(cuò)配度分別為5.5%和2.5%，遠(yuǎn)小于12%的錯(cuò)配度臨界值，說明MgO與α-Mg的界面結(jié)合為半共格界面結(jié)合。袁秋紅等[40]以AZ91合金為基體，采用液態(tài)分散技術(shù)+粉末冶金工藝+熱處理工藝分別制備了碳納米管(CNTs)、包覆氧化鎂碳納米管(MgO@CNTs)、石墨烯納米片(GNS)和氧化石墨烯(GO)增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)MgO@CNTs和GO增強(qiáng)的復(fù)合材料中MgO均與鎂基體形成半共格界面，不同的是CNTs與MgO形成了納米級接觸界面和擴(kuò)散結(jié)合界面兩種較強(qiáng)的結(jié)合界面，而GO中的含氧官能團(tuán)(—COOH，—OH和C—O—C)與Mg發(fā)生界面反應(yīng)，形成了C—O—Mg化學(xué)鍵，與MgO@CNTs相比，GO與鎂基體的界面結(jié)合更強(qiáng)。另外，與CNTs/α-Mg界面相比，由于GNS增強(qiáng)的復(fù)合材料中GNS為二維平面狀結(jié)構(gòu)且平面尺寸達(dá)到了微米級別，與鎂基體的接觸面積比CNTs更大，因此界面結(jié)合更好。四種納米碳材料(CNTs/MgO@CNTs/GNS/GO)中，GO與鎂的界面結(jié)合質(zhì)量最好，與AZ91-0.5% GO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同) 復(fù)合材料具有最高的強(qiáng)度和塑性相吻合。同時(shí)MgO可以作為異質(zhì)形核劑細(xì)化AZ91基體的組織晶粒，這與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果一致。

MgO顆粒與鎂基體之間的物理化學(xué)相容性良好，而且具有很高的熔點(diǎn)，可以顯著提高鎂基復(fù)合材料的高溫性能；MgO晶須具有高熔點(diǎn)、低密度、高耐腐蝕性和高斷裂模量等優(yōu)點(diǎn)，兩種形態(tài)的MgO均與α-Mg之間具有良好的原子匹配關(guān)系，可作為鎂基復(fù)合材料的優(yōu)良界面相。除此之外，通過透射電鏡(TEM)證實(shí)Mg2Ni[41-42]與鎂基體之間存在半共格的界面結(jié)合關(guān)系，由于沒有具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，還有很多與鎂基體之間是半共格界面結(jié)合關(guān)系的增強(qiáng)體未被發(fā)現(xiàn)，未來可以圍繞半共格界面結(jié)合關(guān)系展開研究。

1.3 非共格界面

當(dāng)增強(qiáng)體與鎂基體在界面上的晶體結(jié)構(gòu)或晶格常數(shù)差別比較大時(shí)，界面原子完全不匹配、不存在連續(xù)性的界面，形成非共格界面，其點(diǎn)陣錯(cuò)配度δ≥0.25。非共格界面的界面能很大，固態(tài)相變的形核功也較大，不利于α-Mg的形核，所以當(dāng)增強(qiáng)體與鎂基體之間為非共格界面時(shí)，界面結(jié)合差且結(jié)合強(qiáng)度低，極大地影響了鎂基復(fù)合材料的性能。自1991年Iijima[43]發(fā)現(xiàn)CNT，到2004年Novoselov等[44]用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出少層石墨膜(GN)，碳材料的研究一直是材料研究的熱點(diǎn)。納米碳材料當(dāng)中，CNTs和石墨烯(Gr)由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，被認(rèn)為是鎂基復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體。但是，一般而言碳材料與鎂基體之間潤濕性差且不發(fā)生反應(yīng)，通過適當(dāng)?shù)闹苽浞椒ǖ玫降逆V基復(fù)合材料只能實(shí)現(xiàn)界面處的機(jī)械結(jié)合。碳材料與鎂基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度低，界面處不能有效進(jìn)行載荷轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)效果有限。通過TEM觀測，發(fā)現(xiàn)CNTs與鎂基體之間是非共格的界面結(jié)合關(guān)系，這是與鎂基體之間界面結(jié)合差的根本原因[45-47]。

在鎂基復(fù)合材料中，增強(qiáng)相與鎂基體之間的相界面能夠以共格或半共格界面形式存在是研究者所期望得到的，因其在界面處兩相原子匹配度較高，邊界能量較低(共格界面能為5～200 mJ·m-2，半共格界面能為200～800 mJ·m-2)，而低能量狀態(tài)的界面形成是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵，也是制備高性能鎂基復(fù)合材料的必要條件[33]，因此對鎂基復(fù)合材料中界面的調(diào)控可從界面的形成出發(fā)。

2 鎂基體與增強(qiáng)體之間界面調(diào)控

界面是構(gòu)成鎂基體與增強(qiáng)體彼此結(jié)合，起到載荷傳遞作用的微小區(qū)域，厚度約幾個(gè)納米到幾個(gè)微米。增強(qiáng)體在熔融鎂基體中發(fā)生諸如相互擴(kuò)散、溶解以及形成新相等物理或者化學(xué)反應(yīng)，如圖2所示，不同種類、不同程度的界面反應(yīng)形成的界面產(chǎn)物和界面結(jié)構(gòu)所帶來的界面結(jié)合不盡相同[48]。通常復(fù)合材料中界面結(jié)合形式主要有機(jī)械結(jié)合、界面反應(yīng)、浸潤結(jié)合以及混合結(jié)合[49]。

圖2 鎂基復(fù)合材料界面形成過程示意圖 (a)潤濕過程；(b)界面反應(yīng)；(c)界面組織Fig.2 Schematic diagram of the interface formation process of magnesium matrix composites(a)wetting process;(b)interface action process;(c)interfacial microstructure

鎂基體與增強(qiáng)體之間的界面調(diào)控在于把握兩相之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，只有得到適中的界面結(jié)合強(qiáng)度才能發(fā)揮增強(qiáng)相的最大效益。從界面形成過程研究鎂基復(fù)合材料的界面調(diào)控，決定界面結(jié)合強(qiáng)度有兩個(gè)關(guān)鍵因素：熔融鎂基體與增強(qiáng)體的潤濕狀況和界面反應(yīng)。

2.1 界面潤濕角

鎂基復(fù)合材料界面形成的第一個(gè)過程就是接觸與潤濕，潤濕是指當(dāng)液體與固體接觸時(shí)，液體取代原來在固體表面氣體的過程，潤濕性(wettability)是指一種液體在一種固體表面鋪展的能力或傾向性。潤濕分為非反應(yīng)潤濕和反應(yīng)潤濕，非反應(yīng)潤濕指的是界面潤濕過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，潤濕驅(qū)動(dòng)力是擴(kuò)散力和范德華力，而反應(yīng)潤濕是通過界面反應(yīng)形成界面反應(yīng)產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)的界面潤濕[50]。潤濕性可以通過接觸角來衡量，接觸角理論模型是Young建立的，Young假設(shè)在絕對光滑的表面上，當(dāng)液體在固體表面平衡時(shí)，在水平方向上固-液-氣三相接觸的張力平衡，三者的界面張力與接觸角θ的關(guān)系可以用Young’s方程表示[51]：

δLGcosθ=δSG-δSL

(2)

只有當(dāng)δSG>δLS，即接觸角θ<90°時(shí)，熔融金屬液體能夠浸潤增強(qiáng)體的固體表面。在鎂基復(fù)合材料的常用增強(qiáng)體中，陶瓷顆粒、碳材料等的表面能普遍低于熔融金屬的表面能，這使得它們與鎂基體潤濕性差，如表1所示[52-62]。液態(tài)鎂合金不能完全包裹增強(qiáng)體，增強(qiáng)體與基體之間存在孔洞或間隙，鎂合金基體與增強(qiáng)體之間的黏結(jié)強(qiáng)度低，不利于完整界面的形成以及鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能的提升。根據(jù)黏著功理論，降低固-液界面張力δSL可以提高鎂基復(fù)合材料中熔融鎂基體與增強(qiáng)體之間的潤濕性(減小潤濕角)[63-65]，而降低固-液界面張力常用方法有：在鎂基體中添加高熔點(diǎn)元素和材料制備過程中外加能量。另外，改善潤濕性使用比較多的方法是對增強(qiáng)體進(jìn)行表面改性處理，以此達(dá)到減小潤濕角的目的。

表1 增強(qiáng)體的力學(xué)性能以及與鎂基體之間的接觸角Table 1 Mechanical properties of the reinforcement and contact angle with the magnesium matrix

2.1.1 添加高熔點(diǎn)元素

在鎂合金中加入高熔點(diǎn)第三相元素顆粒可以實(shí)現(xiàn)(1)降低熔體表面張力；(2)降低固液界面能；(3)誘導(dǎo)固液兩相的界面反應(yīng)，改善熔體與增強(qiáng)體之間的潤濕性。

Yao等[22]通過在鎂基體中添加高熔點(diǎn)的Ti元素，實(shí)現(xiàn)在沒有任何外部壓力作用下，成功制備熔融鎂滲透B4C預(yù)成型體。研究發(fā)現(xiàn)Ti在熔體中并沒有與Mg發(fā)生反應(yīng)，高熔點(diǎn)的Ti與Mg不發(fā)生互溶，當(dāng)它加入時(shí)熔體的表面張力(δLG)或液固界面張力(δSL)會(huì)降低，從而提高熔體和預(yù)成型體的潤濕性。另外，加熱溫度的升高、保溫時(shí)間的延長、陶瓷坯體相對密度的增大、浸潤距離的加長，以及Ti顆粒與SiC顆粒大小相同時(shí)，均有利于潤濕過程。

Pei等[66]利用擠壓滲透法制備了Cf/Mg-8Gd復(fù)合材料和SiC+Cf/Mg-8Gd復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)Gd元素易偏聚在SiC顆粒表面和碳纖維上，并在這兩種復(fù)合材料中的碳纖維表面上反應(yīng)形成Gd2O3界面層，而僅在SiC+Cf混合增強(qiáng)的復(fù)合材料中觀察到GdC2。通過TEM進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SiC+Cf/Mg-8Gd復(fù)合材料中的界面層(88 nm)比沒有SiC顆粒增強(qiáng)的Cf/Mg-8Gd復(fù)合材料(160 nm)薄，原因是偏聚在SiC顆粒表面的Gd元素反應(yīng)生成GdC2使得Gd2O3界面層減薄。

稀土元素是鎂合金的有益元素，它可以降低鎂在液態(tài)和固態(tài)的氧化傾向，顯著提高鎂合金的耐熱性、細(xì)化晶粒、減少顯微疏松和熱裂傾向，改善鑄造性能和焊接性能。同時(shí)，稀土元素比鎂元素氧化性強(qiáng)，能夠起到很好的熔體凈化作用，降低碳、氮、氧和硫等有害雜質(zhì)對界面的影響，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

2.1.2 外加能量

外加能量是降低固-液界面張力時(shí)相對簡單的一類方法，如提高熔融鎂基體的滲透溫度、超聲波振蕩、提高熔融鎂基體的滲透壓力和機(jī)械攪拌等。提高溫度是改善金屬基體和增強(qiáng)相顆粒潤濕性時(shí)較為常用的一種措施，因?yàn)樵谝欢囟葍?nèi)液態(tài)金屬的表面能會(huì)隨著溫度的升高而呈線性下降，金屬基體和陶瓷的潤濕角就會(huì)隨著溫度的升高而降低[67]。但是，通常溫度在900 ℃以上才能起到改善潤濕性的效果，而鎂基復(fù)合材料的澆注溫度一般在800 ℃以下，故通過提高溫度達(dá)到改善潤濕性的目的不實(shí)際。

超聲波技術(shù)是指使用高能超聲，使得吸附在增強(qiáng)體表面的氣泡以及熔融鎂基體中已經(jīng)存在的氣體形成空化核，空化產(chǎn)生的局部溫升和局部高壓可以破壞熔融金屬表面生成的氧化膜，從而促進(jìn)熔融鎂基體與增強(qiáng)體之間的潤濕，并且超聲作用還可以對增強(qiáng)體表面進(jìn)行除雜以及改善增強(qiáng)體的分散[68]。

王曉軍團(tuán)隊(duì)[47,68]采用超聲輔助攪拌鑄造法(預(yù)分散+半固態(tài)攪拌+超聲波)，制備出碳納米管分布均勻的鎂基復(fù)合材料。如圖3所示，首先在加入化學(xué)分散劑的乙醇中超聲震蕩分散碳納米管，再加入鎂屑進(jìn)一步磁力攪拌，然后蒸發(fā)乙醇得到黏附了預(yù)分散CNTs的Mg屑。在半固態(tài)的熔融合金中加入包覆了CNTs的Mg屑，隨后施加500 W功率液態(tài)超聲進(jìn)一步分散CNTs，最后通過擠壓得到均勻分散的CNTs/Mg-6Zn復(fù)合材料。該工藝有效解決了攪拌鑄造難以分散碳納米材料的問題，制備出了強(qiáng)度高且塑性得到保持的碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。

圖3 攪拌鑄造法制備石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料過程示意圖[47](a)石墨烯預(yù)處理分散；(b)攪拌鑄造工藝Fig.3 Fabrication process of the magnesium matrix composites reinforced by GNPs by stir casting[47](a)pre-dispersing of GNPs;(b)stir casting process

在鎂基復(fù)合材料凝固時(shí)進(jìn)行機(jī)械攪拌處理亦可改善潤濕性，Hashim等[69]研究發(fā)現(xiàn)，攪拌時(shí)的凝固時(shí)間越短，陶瓷或纖維增強(qiáng)體被潤濕的比例越大。提高熔融鎂基體的滲透壓力可以克服增強(qiáng)纖維預(yù)制塊或顆粒間的毛細(xì)阻力，采用加壓鑄造的方法可以改善熔融鎂基體與增強(qiáng)體之間的潤濕性。Wu等[70]采用壓力浸滲法制備了M40高模量纖維增強(qiáng)ZM6復(fù)合材料(M40/ZM6)，研究發(fā)現(xiàn)M40/ZM6復(fù)合材料具有較高的抗彎強(qiáng)度(1393 MPa)和彈性模量(190 GPa)。

2.1.3 增強(qiáng)體表面處理

表面改性處理可分為物理和化學(xué)表面改性處理。物理改性的主要方法為高能球磨法(HEBM)，HEBM是利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)使硬球?qū)υ鰪?qiáng)體進(jìn)行沖擊、研磨和攪拌，撞擊的機(jī)械能誘發(fā)低溫化學(xué)反應(yīng)或誘導(dǎo)材料組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化，使得增強(qiáng)體表面產(chǎn)生缺陷的同時(shí)極大提高粉末活性，改善顆粒分布均勻性及鎂基體與增強(qiáng)體之間的潤濕性。如Peeterbroeck等[71]在室溫下球磨15 h得到破碎的多壁碳納米管(MWNTs)，經(jīng)過研磨處理后的多壁碳納米管表面存在大量的自由基和自由基促進(jìn)劑，這使得多壁碳納米管易與鎂基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

Chu等[72]提出了一種石墨烯缺陷工程策略以提升石墨烯/銅復(fù)合材料的界面和力學(xué)性能，即利用等離子體處理在石墨烯上產(chǎn)生表面缺陷(5～10 nm的孔)，但不會(huì)對石墨烯結(jié)構(gòu)造成很大的破壞。研究表明，在燒結(jié)過程中等離子體處理過的石墨烯缺陷處原位形成了CuxOy氧化物，與未經(jīng)處理的石墨烯復(fù)合材料相比，經(jīng)過等離子體處理的石墨烯復(fù)合材料獲得了更高的強(qiáng)度提升，并且在熱循環(huán)中表現(xiàn)出更好的界面穩(wěn)定性，這都?xì)w功于共價(jià)鍵形式存在的CuxOy氧化物改善了界面結(jié)合。

Du等[73]對有缺陷的石墨烯納米片(GNPs)和Mg基體之間的界面行為進(jìn)行了研究。帶有缺陷的GNPs原子結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出碳空位、碳鍵斷裂、含氧功能團(tuán)和高比表面積的皺紋。GNPs中的這些缺陷造成了與完整GNPs增強(qiáng)的復(fù)合材料完全不同的界面結(jié)構(gòu)。在復(fù)合材料的制造過程中，鎂原子恢復(fù)了石墨烯的sp2雜化結(jié)構(gòu)，同時(shí)和化學(xué)官能團(tuán)中的氧反應(yīng)產(chǎn)生MgO納米顆粒，形成了強(qiáng)大的界面結(jié)合。另外，石墨烯的缺陷還引發(fā)了Mg納米晶粒在GNPs和Mg基體的界面上擴(kuò)散。該界面使復(fù)合材料成為一個(gè)整體，有效保證了載荷和應(yīng)變的傳遞，對復(fù)合材料塑性方面的提升最是突出。

化學(xué)表面改性提高潤濕性有涂層法和增強(qiáng)體表面化學(xué)氧化法，涂層法是指在增強(qiáng)體表面覆蓋一層“膜”，一方面可以起到改善潤濕性的作用，另一方面阻擋界面擴(kuò)散和界面反應(yīng)[74]。表面涂層法不對增強(qiáng)體表面進(jìn)行損壞，最大限度保留增強(qiáng)體的力學(xué)性能，是目前表面改性最主要手段之一。涂層主要為可被潤濕的物質(zhì)，一般是金屬或金屬間化合物(Ni[41,75]，Zn[76]，Cu[77-78]，Ti[79])、氧化物(Al2O3[80]，SiO2[62]，TiO2[81]，ZnO[82])、碳化物(SiC[83]，B4C[84]，TiC[85])和氮化物(BN[86]，TiN[87])，Si[88]等，可以間接地改善潤濕性。涂層處理方法主要有化學(xué)蒸鍍(CVD)、等離子蒸鍍(PVD)、電鍍、黏固、離子濺射和溶膠-凝膠法、原位反應(yīng)生成等[47,89]。在1976年，Amateau[90]利用化學(xué)氣相沉積法在碳纖維表面制備了一層TiB2涂層，改善了碳纖維與鋁之間的潤濕性，提高了碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能，之后涂層處理碳纖維的方法就廣泛運(yùn)用于改善碳纖維與鎂基體之間的潤濕性。

李四年等[91]采用化學(xué)鍍的方法，在一維多壁碳納米管(MWNT)上獲得連續(xù)致密的鍍鎳層和鍍鎳-鋅層，采用攪拌鑄造法制備碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鍍鎳碳納米管的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%時(shí),抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高了105%和96%；相應(yīng)的鍍鎳-鋅的碳納米管復(fù)合材料則分別提高了124%和107%，鍍層后復(fù)合材料性能有了明顯提升。

Yuan等[39]采用化學(xué)涂層技術(shù)在CNTs表面包覆納米MgO，再通過粉末冶金、熱擠壓和T4處理制備AZ91合金復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)MgO與α-Mg存在半共格的界面結(jié)合關(guān)系，MgO與CNTs存在納米接觸層，改善了鎂基復(fù)合材料的界面結(jié)合，并因此獲得了較好的綜合力學(xué)性能。在之后的工作中[92]又通過球磨和鑄造工藝合成了NiO涂覆CNTs(NiO@CNTs)增強(qiáng)的Mg-4.0Zn復(fù)合材料，NiO涂覆的CNTs能夠均勻分散在基體中，防止CNTs的聚集纏繞，CNTs/Mg界面處形成了MgO和Mg2Ni新相，增強(qiáng)相的良好分散以及界面鍵的改善有效提升了復(fù)合材料的力學(xué)性能。同時(shí)NiO@CNTs對鑄造鎂合金的晶粒細(xì)化效果良好，有助于進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合材料的性能。

李是捷等[93]采用溶膠-凝膠法在碳纖維表面涂覆了連續(xù)均勻的MgO，SiO2和TiO2涂層，并對這三種涂層在改善碳纖維潤濕性以及提升復(fù)合材料性能方面作比較。結(jié)果表明，MgO涂層由細(xì)小的MgO顆粒堆疊而成，結(jié)構(gòu)疏松，SiO2和TiO2涂層結(jié)構(gòu)完整致密，有良好的仿形性。三種涂層的存在均可顯著改善纖維對鎂液的潤濕性，潤濕角由未涂覆時(shí)的120°降低到90°以下，其中MgO涂層的潤濕角僅為42°，但是其界面處微孔等缺陷的存在導(dǎo)致力學(xué)性能較差。SiO2，TiO2涂層均會(huì)與基體鎂發(fā)生較輕微的界面反應(yīng)，有利于界面結(jié)合強(qiáng)度的提升，采用涂覆后的碳纖維分別制備的鎂基復(fù)合材料中，TiO2涂覆后的復(fù)合材料強(qiáng)度最高，SiO2次之，MgO最低。

Popovska等[94]利用熱誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法在碳纖維上包覆約15～20 nm厚的TiN涂層，并通過壓力滲透鑄造的方法制備純鎂基復(fù)合材料。涂覆了TiN的碳纖維與熔融鎂基體潤濕性良好，TiN層用作擴(kuò)散屏障，防止鎂在材料復(fù)合期間擴(kuò)散進(jìn)入碳纖維中。制得的體積分?jǐn)?shù)58.5% C/Mg復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度由1180 MPa提升至2130 MPa，但是基體中含Al時(shí)，界面處擇優(yōu)生長的TiNCx針狀相會(huì)降低復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能。

另外，增強(qiáng)體表面氧化處理指在增強(qiáng)體表面或邊界引入羧基、羥基、氨基等官能團(tuán)，使得增強(qiáng)體與鎂基復(fù)合材料發(fā)生界面反應(yīng)，同時(shí)改善界面潤濕性。

2.2 界面反應(yīng)

鎂是活潑金屬，在制備鎂基復(fù)合材料的過程中總是伴隨著不同程度的界面反應(yīng)，以及元素的溶解、擴(kuò)散和偏聚等，形成不同結(jié)構(gòu)和結(jié)合強(qiáng)度的界面。界面是高能量區(qū)域，是雜質(zhì)偏析和聚集的地方，這使得界面具有不穩(wěn)定性，在一定條件下會(huì)誘發(fā)界面反應(yīng)。界面反應(yīng)對于大部分鎂基復(fù)合材料來說是不可避免的，其結(jié)果往往是形成復(fù)雜的界面結(jié)構(gòu)，這對于復(fù)合材料的界面研究來說是個(gè)極大的挑戰(zhàn)，也是鎂基復(fù)合材料發(fā)展的障礙之一[32,95]。不同程度的界面反應(yīng)會(huì)對鎂基復(fù)合材料的性能產(chǎn)生不同的影響，研究不同界面產(chǎn)物對于復(fù)合材料性能影響也比較困難。制備鎂基復(fù)合材料時(shí)，一定要避免在界面生成大量反應(yīng)產(chǎn)物、形成聚集的脆性相和脆性層[96]。根據(jù)界面反應(yīng)的強(qiáng)弱，將界面反應(yīng)分為三種：

(1)無界面反應(yīng)。增強(qiáng)體與鎂基體之中的任何元素均不產(chǎn)生反應(yīng)，增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)得以完整保留，但與此同時(shí)鎂基體與增強(qiáng)體之間的潤濕性差，兩者之間并無化學(xué)鍵連接，界面結(jié)合強(qiáng)度弱。

(2)弱界面反應(yīng)。與無界面反應(yīng)相比，界面反應(yīng)產(chǎn)物增多，界面的結(jié)合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，增強(qiáng)體的完整性較好，此時(shí)增強(qiáng)體的承載力受影響較小，能夠有效將基體受到的載荷轉(zhuǎn)移到增強(qiáng)體上，防止裂紋擴(kuò)展，同時(shí)脫粘界面形成的橋梁可防止應(yīng)力集中。

(3)強(qiáng)界面反應(yīng)。強(qiáng)界面反應(yīng)最大的變化就是增強(qiáng)體的完整性受到破壞，大量的界面反應(yīng)產(chǎn)物聚集在界面上形成脆性層。界面強(qiáng)度的急劇增加使得裂紋的偏轉(zhuǎn)和界面的脫粘變得困難，在載荷作用下易使裂紋向纖維內(nèi)部擴(kuò)展，從而造成脆性破壞，并由此導(dǎo)致復(fù)合材料的低應(yīng)力斷裂。增強(qiáng)體遭到破壞，承載能力急劇下降，復(fù)合材料性能極低，這種界面反應(yīng)是不允許發(fā)生的。

許多增強(qiáng)體性質(zhì)穩(wěn)定，不與鎂基體產(chǎn)生界面反應(yīng)，這極大影響了界面結(jié)合強(qiáng)度；劇烈的界面反應(yīng)會(huì)破壞增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的完整性，這也使得增強(qiáng)體增強(qiáng)效果下降[97]，只有適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)才是理想的界面反應(yīng)狀態(tài)。界面反應(yīng)會(huì)生成不同的反應(yīng)產(chǎn)物，產(chǎn)物的不同性質(zhì)對鎂基復(fù)合材料的性能影響也不同，如表2所示[24,27,41,98-106]。

表2 增強(qiáng)體與鎂的界面反應(yīng)Table 2 Interfacial reactions between reinforcement and magnesium

鎂基體與增強(qiáng)相之間反應(yīng)必然在界面處產(chǎn)生界面化合物，界面化合物的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等在很大程度上決定了界面能否充分發(fā)揮傳遞載荷作用。Al元素是最常見的合金化元素，在鎂合金中應(yīng)用十分廣泛[49]。當(dāng)鎂合金中不存在Al元素時(shí)，鎂基體是不會(huì)與C元素發(fā)生反應(yīng)的，但當(dāng)存在Al元素時(shí)，在773 K時(shí)就會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成三元碳化物(Al2MgC2)和碳化鋁(Al4C3)。針狀或板條狀A(yù)l2MgC2不連續(xù)地生長在鎂基體中，有效改善Mg基體與CNT之間的界面強(qiáng)度；少量的針狀脆性相Al4C3可以提高潤濕性和拉伸強(qiáng)度，而過量Al4C3將導(dǎo)致復(fù)合材料彈性模量和塑性降低[98-99]：

2C+2Al+Mg→Al2MgC2

(3)

3C+4Al→Al4C3

(4)

Pei等[62]通過控制Al元素含量改變C/Mg-Al界面反應(yīng)活性，當(dāng)Al元素含量小于3%時(shí)，Al元素完全溶解在基體中，對碳纖維的表面損壞最小，并且能改善鎂基體與碳纖維之間的潤濕性，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，此時(shí)復(fù)合材料力學(xué)性能最佳；隨著Al元素含量的增加(≥3%)，復(fù)合材料顯示出脆性斷裂而沒有任何纖維拉出，所獲得的材料強(qiáng)度相對較低，延展性顯著降低。隨著Al含量的增加，碳纖維表面的SiO2涂層被逐漸消耗，界面反應(yīng)導(dǎo)致碳纖維結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能下降。控制Al元素含量在1%可得到較高強(qiáng)度的界面結(jié)合，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)604 MPa，是相同條件下純鎂基體的8倍。然而，為減少C/Mg-Al界面碳纖維與鎂基體的反應(yīng)而大量降低鋁元素含量并不是最有效的解決措施。所以Pei等進(jìn)而在碳纖維表面用溶膠-凝膠法涂覆一層SiO2，將Al元素的含量從5.0%增加到9.6%。雖然SiO2涂層隨Al元素含量的增加而逐漸損耗，但是SiO2可以作為擴(kuò)散阻擋層阻礙碳纖維與含Al鎂基體的反應(yīng)，碳纖維能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性，更好地發(fā)揮碳纖維的增強(qiáng)效果。

除此之外，Mg-Al復(fù)合材料界面處通常沿晶界析出金屬間化合物β(Mg17Al12)相，β相硬度高脆性大，這將嚴(yán)重削弱復(fù)合材料的力學(xué)性能。尚拴軍等[107]采用熱擠壓法破碎鑄態(tài)SiCP/AZ91鎂基復(fù)合材料中非平衡凝固析出的Mg17Al12，對Mg17Al12破碎及彌散分布行為進(jìn)行研究。不規(guī)則片狀及線形Mg17Al12在基體合金和SiC顆粒的剪切應(yīng)力場作用下破碎成大量亞微米級的顆粒，并隨基體合金的塑性變形發(fā)生移動(dòng)，彌散分布在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的晶界附近，通過釘扎晶界作用能夠細(xì)化復(fù)合材料晶粒。此外，破碎化的Mg17Al12還起到彌散強(qiáng)化基體的作用，與晶粒細(xì)化協(xié)同提升了復(fù)合材料的強(qiáng)度。

田君等[108]采用擠壓浸滲法制備Al2O3-SiO2/AZ91D復(fù)合材料，將非晶態(tài)硅酸鋁進(jìn)行晶化處理，得到表面覆蓋SiO2層的晶態(tài)硅酸鋁短纖維。硅酸鋁短纖維與基體鎂合金的界面反應(yīng)程度并不劇烈，只有纖維表面的SiO2參與反應(yīng)，沒有受損的硅酸鋁短纖維與基體結(jié)合良好，起到了較好的增強(qiáng)作用。

在氧化物增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料中，MgO是最常見的一種界面產(chǎn)物。增強(qiáng)體表面均勻分布的MgO薄層既可充當(dāng)“橋梁”作用，亦可阻擋Mg基體與增強(qiáng)相之間的過度反應(yīng)。Yuan等[41]利用粉末冶金法制備了均勻分散石墨烯納米片(GNS)增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，通過熱還原方法合成約有12%(原子分?jǐn)?shù))殘余氧含量的GNS，表面殘余O原子與Mg基體反應(yīng)生成MgO，由于MgO/α-Mg的半相干界面((0002)α-Mg∥ (111)MgO, [0110]α-Mg∥[011]MgO)和GNS/MgO的變形區(qū)域鍵合界面，原位合成的MgO納米顆粒可以顯著改善GNS和α-Mg之間的界面鍵合，從而提高復(fù)合材料的界面結(jié)合力。Fujiwara等[109]通過機(jī)械球磨和放電等離子燒結(jié)(SPS)制備體積分?jǐn)?shù)為10% Al2O3增強(qiáng)的純鎂復(fù)合材料，研究表明氧元素幾乎不溶于Mg基體中，而是在Mg/Al2O3界面與Mg反應(yīng)形成直徑約為10 nm的MgO顆粒。Mg基體能溶解部分Al原子，一旦超過溶解度極限Al原子可能與Mg原子結(jié)合，在距離Al2O3幾百納米遠(yuǎn)的地方形成納米Mg17Al12，這兩相的存在大大提高了復(fù)合材料的硬度。

研究發(fā)現(xiàn)La2O3，Sc2O3，Li2O，Ce2O3等[41,110-112]都與α-Mg具有半共格的界面結(jié)合關(guān)系(如表3所示，d1，δ1為理論值，d2，δ2為實(shí)驗(yàn)值)，特別是La2O3與C元素可以形成C—O—La鍵，適合開發(fā)La2O3包覆碳材料增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。

表3 氧化物與α-Mg的界面特征Table 3 Interface features between oxides and α-Mg

另外，在Mg2B2O5晶須或者B4C顆粒等增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料中，基體與增強(qiáng)體界面處都有可能存在MgB2相，其增強(qiáng)機(jī)制與MgO類似。

3 鎂基復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

在鎂基復(fù)合材料中，增強(qiáng)體的主要作用是支撐大部分的外加載荷，而基體則是將分散的增強(qiáng)體連結(jié)起來，將外加載荷傳遞和分配給各增強(qiáng)體，從而在整體上起到提高金屬基復(fù)合材料力學(xué)性能的作用[50]。界面作為鎂基體與增強(qiáng)體之間的“橋梁”，對有效地傳遞和分配載荷起著至關(guān)重要的作用，鎂基體與增強(qiáng)體之間的界面結(jié)合強(qiáng)弱也顯著影響著復(fù)合材料的綜合性能。以往鎂基復(fù)合材料的界面研究大多是自下而上的，即先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論分析，這種方法往往只能得到單方面的界面研究結(jié)果，類似于“有什么給什么”。采用自上而下的方案對以往的實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)，對鎂基復(fù)合材料界面研究提出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，則可以“要什么給什么”。界面潤濕性差以及界面反應(yīng)的難控制，使得界面調(diào)控研究成為制約鎂基復(fù)合材料性能提升的阻礙，因此，將結(jié)合界面潤濕角和界面反應(yīng)兩大因素對鎂基復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行研究。

鎂基體在熔融鑄造狀態(tài)時(shí)能夠與增強(qiáng)體潤濕被認(rèn)為是制備優(yōu)良性能鎂基復(fù)合材料的必要條件，也是形成界面結(jié)合、提高界面結(jié)合強(qiáng)度的必要條件。選定一種性能優(yōu)良的增強(qiáng)體并再將其添加到鎂基體當(dāng)中，首先應(yīng)考慮到的是兩者間的潤濕性。復(fù)合材料成形過程中，若熔融金屬液能夠很好地潤濕增強(qiáng)體表面，則可以在宏觀尺度上減少孔隙缺陷，使得增強(qiáng)體表面與鎂基體充分接觸。同時(shí)，在增強(qiáng)體表面充分潤濕后，無論界面處兩相原子以哪種形式結(jié)合，更多的原子接觸產(chǎn)生的結(jié)合強(qiáng)度總是優(yōu)于不接觸，增強(qiáng)體的增強(qiáng)效率也可得到最大化。在制備復(fù)合材料過程中，可以認(rèn)為金屬液在增強(qiáng)體表面潤濕角小于90°時(shí)兩者間潤濕狀態(tài)良好，潤濕角越小金屬液能夠更好地平鋪在增強(qiáng)體表面。

不同增強(qiáng)體在制備復(fù)合材料過程中與基體的反應(yīng)程度不同，適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)有利于改善增強(qiáng)體與基體之間的潤濕性，產(chǎn)生穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)能夠降低兩相之間的原子錯(cuò)配度，從而形成更牢固的界面結(jié)合，提升載荷轉(zhuǎn)移效率。而且液態(tài)基體與增強(qiáng)體之間的直接潤濕，可能改變?yōu)榻饘僖号c更親和的界面產(chǎn)物潤濕。界面反應(yīng)產(chǎn)生的界面相與鎂基體或增強(qiáng)體之間形成共格或半共格界面結(jié)合，更是能夠顯著提高鎂基復(fù)合材料的界面結(jié)合力。界面反應(yīng)程度不宜過大，理想的界面設(shè)計(jì)中期望產(chǎn)生輕微的界面反應(yīng)，既不破壞增強(qiáng)體的基本結(jié)構(gòu)，又能充分通過界面產(chǎn)物(結(jié)構(gòu))發(fā)揮增強(qiáng)體的增強(qiáng)效應(yīng)。

鎂基復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體之間界面結(jié)合情況影響著復(fù)合材料的性能，界面優(yōu)化的目的就是為了獲得良好的界面結(jié)合狀況，充分發(fā)揮增強(qiáng)體優(yōu)良的力學(xué)性能。通過綜述大量增強(qiáng)體與鎂基體之間不同界面的情況，統(tǒng)計(jì)出了各類增強(qiáng)體界面潤濕角θ(0°～180°)和界面反應(yīng)程度A(常數(shù)，值越大界面反應(yīng)越強(qiáng))之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同增強(qiáng)體在鎂基體中的潤濕性和界面反應(yīng)(a)及部分復(fù)合材料的強(qiáng)塑性關(guān)系(b)Fig.4 Wettability and interfacial reaction of different reinforcers in Mg alloy (a) and strong-plastic relationship of some composites (b)

圖4(a)中，右上角范圍內(nèi)的增強(qiáng)體(如SiC，MgO@CNTs等)與鎂基體潤濕情況良好，同時(shí)只產(chǎn)生輕微界面反應(yīng)的增強(qiáng)相，最終形成了優(yōu)良的界面結(jié)合強(qiáng)度，是鎂基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)體。良好的潤濕性可以改善基體與增強(qiáng)體的結(jié)合狀況；輕微的界面反應(yīng)，既能保證增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的完整性，又能提高界面結(jié)合的強(qiáng)度；適中的界面結(jié)合強(qiáng)度，而不是較高的界面結(jié)合強(qiáng)度，是因?yàn)檫^弱的界面結(jié)合強(qiáng)度不能有效傳遞載荷，過強(qiáng)則會(huì)引起脆性斷裂，這兩種情況都不能有效發(fā)揮增強(qiáng)體的增強(qiáng)作用[66]。據(jù)此，研究提出了鎂基復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度與界面潤濕性-界面反應(yīng)之間的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即良好的潤濕性(θ<90°)和輕微的界面反應(yīng)，定義界面結(jié)合強(qiáng)度Sinterface：

(5)

若對界面反應(yīng)數(shù)值化可具體體現(xiàn)Sinterface的取值范圍，只有Sinterface在一定范圍內(nèi)才可得到理想的界面結(jié)合強(qiáng)度。

4 未來發(fā)展趨勢

我國擁有豐富的鎂資源，開發(fā)具有高強(qiáng)度的鎂基復(fù)合材料，滿足航空航天、汽車、電子和運(yùn)輸行業(yè)等高附加值行業(yè)的需求，具有深遠(yuǎn)的研究意義和現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)存許多制約鎂基復(fù)合材料大規(guī)模運(yùn)用的問題，如改善增強(qiáng)體與鎂基體之間的界面結(jié)合，這是最主要也是最關(guān)鍵的問題之一。一個(gè)好的界面能夠把載荷從較弱的鎂基體充分轉(zhuǎn)移到較強(qiáng)的增強(qiáng)體上，同時(shí)自身結(jié)構(gòu)不被破壞。研究人員致力于找到或構(gòu)造三種界面類型中具有低界面能的共格界面和半共格界面，因其界面處原子保持著良好的匹配關(guān)系，界面結(jié)合強(qiáng)度較高。增強(qiáng)相與熔融鎂基體之間潤濕性差、界面反應(yīng)難以控制成為復(fù)合材料性能提升的阻礙。本文從影響界面形成情況的主要因素著手，探究鎂基體與增強(qiáng)相之間潤濕性和界面反應(yīng)對界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，總結(jié)出添加高熔點(diǎn)元素、外加能量、增強(qiáng)體表面處理和優(yōu)化界面化合物等具體措施，提出良好的界面潤濕性以及輕微的界面反應(yīng)是未來界面優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。最后，對未來鎂基復(fù)合材料的界面研究進(jìn)行了以下展望：

(1)將稀土元素添加到鎂基復(fù)合材料中，一方面稀土元素的存在可以改善基體與增強(qiáng)體之間的潤濕性，另一方面可起到凈化熔體、細(xì)化晶粒的作用，提升復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度、耐磨性等。

(2)綜合考慮鎂基體的合金成分和增強(qiáng)體類型，根據(jù)工程需要選擇基體元素含量，在滿足增強(qiáng)體均勻分散的前提下實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的界面結(jié)合，得到在強(qiáng)度、塑性、耐磨性、耐蝕性、熱物理性和儲(chǔ)氫性能等方面一種或多種的提升。

(3)繼續(xù)開發(fā)新的增強(qiáng)體表面涂層，這是最有效也是最可靠的界面調(diào)控方法之一，特別是原位生成的表面涂層，在保證增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)完整的同時(shí)對兩相之間的界面結(jié)合進(jìn)行最大程度的提高，是未來復(fù)合材料界面研究的重點(diǎn)方向。

(4)未來可以通過第一性原理對鎂基體與不同增強(qiáng)體之間界面能以及界面黏附功的計(jì)算，探究界面處原子結(jié)構(gòu)對界面性質(zhì)的影響機(jī)理、界面結(jié)合與性能表征之間的內(nèi)在聯(lián)系，對界面結(jié)合強(qiáng)度以及界面潤濕性進(jìn)行評估設(shè)計(jì)；利用高通量等終端設(shè)備模擬技術(shù)對界面進(jìn)行原子級別的深入分析，系統(tǒng)研究界面結(jié)構(gòu)、界面處位錯(cuò)等對復(fù)合材料力學(xué)性能的強(qiáng)化機(jī)制。