金属诱发高效浸渗原位合成混杂增强镁基复合材料研究

Considering the requirement for the light-weight high anti-abrasive magnesium matrix composites and preparation difficulty, a new route is proposed to synthesize hybrid reinforced magnesium matrix composites by using high melting point metal to induce fast infiltration of molten Mg and in situ exothermal reaction to synthesize ceramic reinforcements. On the basis of thermodynamic calculation, the reaction products and morphology of hybrid reinforcements can be designed and controlled. The mechanisms of in situ reaction and metal-induced infiltration process and infiltration dynamics can be explored. So, the hybrid reinforced magnesium matrix composites of (Ti+B4C)/Mg, (TiC+TiB2)/Mg and (B4C+TiC+TiB2)/Mg will be fabricated with contrllable microstructures. The related performances of the as-fabricated hybrid reinforced magnesium matrix composites will also be studied to elucidate the correlation of vibration-damping behavior with their microstuctures. This study will lay a theoretical and technological foundations for the preparation and application of low-cost and light-weight hybrid reinforced metal-matrix composites. Some fundamental problems to be solved regarding metal-induced infiltration process in microstructural design and property control of magnesium matrix composites have important scientific significance for the composites design and application. It will not only enrich the research field of low-cost fabrication of composites, but promote to obtain high-performance structural and functional materials by using abundant magnesium resources as well.

针对轻质高抗磨镁基复合材料的需求及制备技术的困难，提出利用高熔点不互溶金属诱发镁熔体实现高效自发浸渗新思路，结合原位放热反应合成陶瓷增强相的优势，从热力学角度设计原位反应条件并控制反应产物和混杂增强相形态，揭示(Ti+B4C)/Mg系原位反应机制和金属诱发高效无压浸渗机理及浸渗过程动力学规律，制备组织可控的(Ti+B4C)/Mg、(TiC+TiB2)/Mg和(B4C+TiC+TiB2)/Mg系高性能混杂增强镁基复合材料；测试研究多元混杂增强镁基复合材料相关性能，阐明其耐磨性及阻尼性能提高的机理与组织的相关性，为低成本轻质混杂增强金属基复合材料的制备和应用奠定理论和技术基础。解决金属诱发自发浸渗方法中与镁基复合材料组织设计和性能控制的若干基本问题，对于复合材料的设计和应用有重要科学意义，不仅丰富复合材料低成本制备领域的研究内容，而且对于充分利用镁资源获得结构与功能一体化高性能材料有促进作用。

镁基复合材料具有一系列优异性能，是优秀的结构与功能材料，在众多领域具有广阔的应用前景。由于镁或镁合金的化学活性高，利用常规粉末冶金法或者铸造法制备镁基复合材料存在着一定的困难。本项目针对轻质高抗磨镁基复合材料的需求及制备技术的困难，提出利用高熔点不互溶金属诱发镁熔体实现高效自发浸渗新思路，结合原位放热反应合成陶瓷增强相的优势进行制备，并尝试在其它金属基体复合材料制备中进行拓展。主要研究内容是围绕利用高熔点金属Ti作为镁或者镁铝熔体的无压浸渗诱发剂，从热力学角度设计原位反应条件并控制反应产物和混杂增强相形态，揭示(Ti+B4C)/Mg系原位反应机制和金属诱发高效无压浸渗机理及浸渗过程动力学规律，制备组织可控的(Ti+B4C)/Mg、(TiC+TiB2)/Mg和(B4C+TiC+TiB2)/Mg系高性能混杂增强镁基复合材料，并将这一制备金属基复合材料的方法扩展到铝基复合材料的无压浸渗制备；测试研究多元混杂增强镁基复合材料相关性能，阐明其耐磨性及阻尼性能提高的机理与组织的相关性。通过几年的研究，本项目已实现预期研究目标，从实验和理论两方面证实了利用高熔点金属诱发熔体浸渗制备轻金属基复合材料的可行性，并揭示了其改善润湿性实现高效浸渗的机理，利用这一具有优势的技术在优化的工艺条件下制备了几种不同混杂增强镁基复合材料，同时也扩展成功应用于铝基复合材料的制备，获得了其基本材料性能数据及揭示了其性能提高的机理。其科学意义不仅是获得了项目中制备的几种轻质高抗磨性镁基以及铝基复合材料，而是提出了一种简单的新的改善陶瓷/金属润湿性的新方法，为低成本浸渗法制备金属基复合材料奠定了良好的科学基础。该方法是一种新的制备金属基复合材料的方法，其综合了原位合成法和无压浸渗法的优势，可以低成本、简洁高效地制备出界面清洁且增强体与基体结合良好的金属基复合材料。