基于镁基纳米复合材料合成的研究方法，镁基纳米复合材料制备

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引言镁基纳米复合材料是一类新型轻质高性能材料，主要由于其密度低，在汽车、航空航天、太空、电子、体育和生物医学领域具有潜在的应用前景。

由于该材料的合成相对困难，因此它清楚地提供了对迄今为止不同研究人员设计和采用的合成镁基纳米复合材料的不同技术的见解。 MMNC的整体加工通常采用一次加工和二次加工相结合的方式。初级加工主要涉及通过固体、半固体或液体加工路线进行MMNC 锭的初始配方和生产。然后，进行塑性变形或临界塑性变形等二次加工，以减少不均匀性、颗粒团聚和制造缺陷，从而提高MMNC的性能。我们将详细讨论MMNC 的不同制造方法及其优点和局限性。

镁基复合材料由于其重量轻、强度重量比高、延展性、硬度、耐磨性和生物可降解性，镁基复合材料的研究在过去40 年中经历了持续增长。镁基材料目前主要应用于汽车、航空航天、电子、体育和生物医学工程等领域。对镁基纳米复合材料进行深入研究的驱动力是利用它们来减少全球变暖、能源消耗以及土地、空气和水的毒性。纳米长度尺度的增强层的存在导致颗粒细化，直径小于100纳米的纳米颗粒纤维的存在导致孔页增强和奥罗宾增强。

MMNC的初级处理可以分为两类：异地路由和就地路由。在MMNC制造过程中的异地加工中，主要问题是颗粒聚集。在液体和半固体加工过程中，高表面能降低了颗粒纤维对基体的润湿性。这些聚集的颗粒导致基体内的增强材料分布不均匀，导致铸态性能较差。这种不均匀的分布只能通过仔细的二次加工步骤来减少。常见的液体和半固体异位工艺包括搅拌铸造熔体搅拌、超声空化、塌陷熔融沉积和流变铸造。固相异位合成是一种粉末冶金方法，它积累了轧辊连接的剧烈塑性变形和搅拌摩擦加工的塑性变形。原位工艺消除了钢筋的聚集，因为它们在加工过程中通过热力学和化学反应分散在基体中。

通过异位途径加工的MMNC通常会表现出枝晶、孔隙和微裂纹等微观结构缺陷。这些需要仔细表征并使用二次处理技术来提高最终应用所需的性能。常见的二次加工有热处理、热挤压、热轧、等通道方压、循环挤压压实等。生产镁基纳米复合材料的加工方法通常涉及初级加工和二次加工的组合。在初级加工中，将基体材料和增强材料混合，并施加热能或机械能以形成复合材料。

在初级加工过程中，复合材料中引入了一些不良影响，例如钢中的孔隙率和空隙分布不均匀。为了最大限度地减少这些缺陷，采用二次加工来获得相对均匀的微观结构和增强的机械性能。初级加工技术可分为液体、半固体和固体加工类型。液体工艺包括搅拌铸造、超声空化、塌陷熔融沉积和原位加工。流变铸造是半固态复合材料的主要工艺。地球制造包括粉末冶金(PM)、累积辊压结合和搅拌摩擦加工。

为了加工MMNC，将镁锭放入石墨或钢坩埚中，并在电阻炉或感应炉中在680 至750C 的温度下熔化。使用带涂层的叶轮对液体熔体进行机械搅拌。叶轮具有涂层，可防止化学反应造成的磨损和腐蚀。预定量的纳米增强材料沿着涡流的侧面被引入到熔融金属中。液体涡流内表面和外表面之间的压力差将增强材料分布到熔体中。为了避免氧化点火，使用惰性气氛保护涡流。为了克服团聚，在添加之前将镁粉和纳米增强材料一起球磨。将液体浆液搅拌10分钟以使混合物均匀化。均化后，将液体浆料倒入永久模具中。

超声空化搅拌铸造技术的主要缺点之一是由于表面能较大，无法避免纳米增强材料的团聚。这降低了最终复合材料的机械性能。超声波空化是将增强材料分散到MMC基体材料中的相对有效的技术。通过引入低至1 的功率和频率范围。在UST工艺中，镁合金被放置在石墨坩埚中并使用电阻感应炉加热到所需的温度。根据颗粒尺寸添加预定量的增强材料。在加工过程中，镁熔体用氩气保护以避免氧化。

使用强大的超声波冲击波在半固态温度下将纳米颗粒完全分散在熔体中。选择超声处理温度以增强模具内浆料的流动性。焊头的材料选择在MMNCs的熔化过程中起着重要作用，因为焊头的表面在液态金属熔化过程中会受到侵蚀。为了改善MMNC 的超声处理，研究人员推荐使用铌和钛。与基础焊头相比，钛基焊头成本较低，因此广泛用于UST 加工。

请注意，尽管基础焊头的杨氏模量随温度变化略有变化，但基础焊头在MMNC 熔化中非常稳定，因为Ti 不溶于Mg。初步研究结果表明，高强度UST 振动需要100Wcm 的强度。对于大批量生产，超声处理要求可能更高。 MMNC 的大规模生产需要大量的功率和频率。关键问题是减少UST 期间的熔体体积以降低超声处理速率。这可以通过两个步骤来完成。增强材料用于制备熔体，并将熔融液体输送至焊头辅助UST室以破坏颗粒簇。

流变铸造技术流变铸造是一种半固态铸造工艺，其中基材在液相线-固相线区域进行加工。在这个所谓的半固体区域中，添加增强材料颗粒并将所得浆料充分搅拌以确保增强材料的均匀分布。搅拌后，将半凝固复合材料熔体捣入永久模具中。通常对浆料进行洗涤和脱气，以避免氧化和夹杂物形成。镁MMNC 和Al2O3n 采用半固态流变铸造工艺合成。将镁锭放入涂有氮化硼的低碳钢坩埚中。使用电阻炉在750C 的金属坩埚中形成熔体。使用氩气对浆料进行脱气以避免氧化。

然后将增强材料在半固态温度下添加到浆料中。使用机械搅拌器搅拌浆料。然后将MMNC 浆液注入永久模具中以进行进一步表征。粉末冶金是镁基纳米复合材料最常用的固相合成方法之一。第一步是将金属合金和粉末陶瓷颗粒混合以形成均匀的混合物。混合参数根据金属合金和增强粉末之间的密度差来确定。然后使用冷压机、热压机或热等静压机将混合粉末压实。通过加热至预定温度来烧结生坯以恢复其机械性能。 PM 技术可以生产具有简单几何形状的近净形部件。

使用粉末冶金技术合成了几种镁基合金，包括传统的和纳米复合材料。典型的加工步骤包括使用行星式球磨机在有或没有钢球的情况下以200rpm的速度混合或机械合金化预定量的金属和陶瓷粉末1小时。将混合过程中得到的复合粉末采用100T液压机进行压制，得到直径35mm、高度40mm的坯料。压实钢坯可以使用传统熔炉或微波烧结进行烧结。微波烧结期间的加热时间保持在16分钟。可使用传统微波炉，功率9kW，工作频率45GHz。将1 毫米和0.5 毫米厚的实心铝和AZ31 镁条切割成150 x 50 毫米的矩形条。带材在400C 下退火2 小时，然后将炉子冷却至接近环境温度，以在轧制前软化带材。在轧制之前，板材要经过研磨、抛光、脱气和清洁。

Al 和纳米氧化铝粉末与直径为0.5 mm 和1 mm 的钢球一起在钢筒中进行净化。铝粉以300 rpm 的转速和20:1 球粉比研磨6 个循环，每个循环持续45 分钟，停留时间为15 分钟，以消除不需要的温度升高。研磨后的铝氧化铝颗粒均匀分布在带材之间，以改善润湿性。以AlAZ31Al的形式进行层压，中间带有增强粉末。烟囱用铜线固定，防止滑落。将组件放入空气烘箱中，在300-350C 的温度范围内预热15 分钟。滚动进行了四次，每个滚动阶段都保持了50%的减排量。搅拌摩擦加工是一种利用固体塑性变形的合成方法。它可用于构建具有纳米复合材料层的表面复合材料以及具有有限厚度尺寸的块体复合材料。这通常会增强颗粒尺寸的均匀分布并产生精细的结果。 FSP 工艺使用旋转肩装工具穿过含有纳米陶瓷颗粒的基体。在工具的平移运动过程中，基体金属发生塑性变形，同时钢棒融入到基体金属中。

切割尺寸为60010010mm的Mg矩形板以生产复合材料。将陶瓷颗粒铺展到宽度和深度为1.2 x 5 mm 的板凹槽中，并使用两种不同的肩部工具形成复合材料。一种不带销肩，另一种有肩，高度为5 毫米，销直径为6 毫米。

这一结论提供了对镁纳米复合材料的深入了解，镁纳米复合材料正在成为从航空航天、汽车到体育产业等许多重量敏感工程应用的潜在候选者。它不仅比铝或钛轻得多，而且还可以使用传统和先进的加工方法进行加工。搅拌铸造是最传统的大规模生产技术，可将纳米颗粒均匀分散在镁基体中。已经尝试使用超声波空化作为分散纳米增强材料的手段进行改进，并取得了有希望的结果。

塌陷熔融沉积技术已被证明是最有效的，因为它可以很好地分散纳米添加剂，改善微观结构，并产生优异的机械性能。 DMD 也是一种可扩展的技术。另一种制造镁基纳米复合材料的方法称为原位铸造，该方法在铸造过程中利用化学反应形成纳米级金属间化合物。

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