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镁基复合材料的制备技术
液相法是利用材料从液态到固态相变进行成型的一种方法， 此方法需要将材料加热至全液态。目前常用的液相法主要包 括揽拌铸造法和烙体分解沉积法。缺点，适用于熔点较低的 金属合金。 半固态法是将材料加热至固相线和液相线之间，在半固态温 度加入增强体的方法。增强体受到摩擦和阻碍，避免其漂浮 于烙体之上，并可Ｗ通过机械揽拌获得较均匀地分散。
石墨烯增强镁基复合材料 材料工程
河海大学力材学院
目 录
石墨烯镁 基 复 合 材 料 研 究 背 景
石墨烯镁 基 复 合 材 料 研 究现状 镁基复合材料的制备技术 石墨烯对镁 基 复 合 材 料 性 能的影响 存在的问题以及发展前景
石墨烯
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只 有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。因为具有十分良好的强度、 柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域 都得到了长足的发展，作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳 米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”。
称取0.1氧化石墨烯 溶于200ML乙醇中
真空下称取99.9g镁 铝合金粉末混入 100ML乙醇中机械 搅拌均匀
将粉末置于模具中 压制成型，烧结
热挤压，12mm 的 石墨烯增强 AZ91镁 基复合材料（简称 MGO /AZ91复合材 料）
采用相同的工艺制 备AZ91镁合金、 GNZ /AZ91复合粉及 复合材料
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二、性能测试结果
此表是将GNPs（石墨烯纳米片）/AZ91复合材料与相同工艺条件下制备 的 CNTs/AZ91和 MgO -CNTs/AZ91复合材料的力学性能进行了对比。 GNS/AZ91 复 合 材 料 的 力 学 性 能 和 CNTs /AZ91（碳纳米管）复合材 料相当。当加入1.0％包覆 MgO碳纳米管增强的 ＡＺ９１复合材料，其 屈服强度、抗拉强度和硬度差距也不是很明显。这说明，与 CNTs相比， 在作为镁合金增强相时，添加少量 GNPs（石墨烯纳米片）的复合材料 强度和硬度提升较明显。
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镁基复合材料研究现状概要
香港城市大学吕坚教授团队近日在材料研究取得重大突破，全球首次制备 出了超纳镁合金材料。这种结构使得镁合金具备3.3GPa的超高强度，达到了近 理论值E/20（其中，E为材料的杨氏模量）。这种尖端新型材料的强度比现有 超强镁合金晶体材料高出十倍！变形能力较镁基金属玻璃高两倍，并可发展成 为生物降解植入材料。然而，其制备方法的苛刻与复杂性往往限制了其实际应 用。
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镁基复合材料的制备技术
目前国内外镁基复合材料的制备方法主要包括粉末冶金法、半粉末冶金法、 揽拌铸造法、预制块－半固态揽拌铸造法、烙体分解沉积法、多道次揽拌 摩擦加工法和化学气相沉积法等。这些方法均可归纳为固相法、液相法、 半固态法和大塑性变形法这四种类型。
粉末冶金法是近年来工业生产常用的固相法制备复合材料的方法之一， 1.固相法 至今己发展的相当成熟。粉末冶金法的主要工艺包括：混料、冷压成 型、烧结致密化及后处理。 粉末冶金法的主要优点：通过调节制备工艺可使增强体均匀分布；由 于成型温度比基体的烙点低，故不会产生过量的界面反应；可完成高 含量増强体的添加，对复合材料的成分进行自由设计。但是也存在以 下缺陷：比如生产周期较长，过程较复杂，也存在模具和粉体爆炸的 危险。
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但是由于镁合金自身优良的属性，吸引着无数科研工作者不断探索， 随着技术的发展总有一天石墨烯增强镁基复合材料会登上舞台，广 泛应 用与军事、航空、汽车等领域。
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谢谢聆听
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一、性能测试结果
由表看出， MGO (氧化石墨烯)/AZ91复合材料的屈服强度、抗拉强度、 伸长率和显微硬度最大，分别为224.85MPa ， 268.89MPa ， 伸长率 8.15%、显微硬度70.14，比不添加石墨烯的AZ91镁合金的分 别 提 高 了 39.7％ ， 21.6％ ， 35.4％ ， 31.8％，与GNS（石墨烯纳米片）/AZ91复 合材料（添加石墨烯纳米片的AZ91镁合金）相比，其性能也是比较优 越。
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镁基复合材料研究现状概要
青海大学的韩丽等采用溶胶-凝胶法制备了CuO 涂覆 Mg2B2O5 晶须增强镁基复 合材料并对其界面结构进行了研究，发现CuO 涂覆可以改善界面处的结合强度， 材料的抗拉强度和断后伸长率相较于未涂覆前分别提高了 37.6%和 35.7%。李坤等 也采用溶胶-凝胶法在碳纤维表面制备出了均匀且无裂纹的 SiO2 涂层，进而制备 得到了SiO2涂覆碳纤维增强镁基复合材料，分析发现虽然复合材料的极限拉伸强 度值只有 527MPa，远远偏离了理论值，但是碳纤维表面的 SiO2 涂层可明显促进 液态镁对碳纤维的润湿。通过液态超声结合固态搅拌的方法成功制备出了块体石 墨烯颗粒增强镁基复合材料，石墨烯在基体中分布均匀，复合材料的性能强化明 显，1.2%石墨烯复合材料的显微硬度可达 66kg/mm2，比相同工艺条件下纯镁的 性能提升了78%。
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存在的问题及发展前景
1.由于镁本身的化学性质较活泼，很容易在制备过程中发生化学反应， 因此对于以镁或镁合金作为基体的复合材料而言，应严格控制制备过程 中的工艺参数，防止界面处的不良反应。 2.目前，由于镁及镁合金存在强度低、模量小、塑性差和易腐性等缺点 镁基复合材料的制备工艺还有待于改进和完善，其准确的复合机理、界 面处的强化机制等建设性的研究还不是相当全面。 Ts和GNPs增强镇基复合材料制备过程中面临两个最大的挑战： a．CNTs、GNPs的均匀分散； b．CNTs、GNPs与基体的润湿性较差。由于CNTs、GNPs的比表面积较大， 表面能较高，因此具有很强的团聚倾向。CNTs和GNPs与大多数金属不润 湿，因此与金属基体之间很难形成较牢固的结合界面。 4.由于以上技术问题目前仍然无法实现量产。
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AZ91 镁合金及其复合材料的拉伸断口形貌和 EDS 谱
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结论：氧化石墨烯增强 AZ91 镁基复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分 别为 224.85 MPa ，8.15%和70.14HV ，比 AZ91镁合金基体的分别提高了39.7% ， 35.4%和31.8%；而以石墨烯纳米片为增强相时复合材料的屈服强度、伸长率和 显微硬度分别为191.86 MPa ， 6.72％和60.42HV ，比基体的仅提高了 18.7％ ， 9.9％ 和 13.5％ ；氧化石墨烯上的含氧官能团与镁合金基体发生界面反应生成 了MgO，有利于提高石墨烯与镁合金基体的界面结合强度。 通过以上两组实验对比，氧化石墨烯增强镁基复合材料无论在屈服强度抗拉强 度，伸长率以及硬度上都是最好的。
2.液相法
3.半固态法
大塑性变形法使材料产生剧烈的塑性变形，其平均晶粒尺寸一 般在100nm左右。复合材料经过大塑性变形之后，其晶粒细小 4.大塑性变形法 且性能优异。大塑性变形法主要包括等径角挤压（ＥＣＡＰ）、 高压扭转变形法（ＳＰＴＳ）、大扭转应变过程技术（ＳＴＳ Ｐ）和多道次揽拌摩擦加工技
基体原料为 AZ91镁合金粉，粒径10～100 um；其化学成分（质 量 分 数／ ％ ） 为 9.5Al， 0.8Zn ，0.4Mn ，＜0.08其他元素，余Ｍｇ 。增强相材料分别为多层 氧化石墨烯（ MGO）和多层石墨烯纳米片（ GNS ）
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试验方法
将石墨烯滴入镁铝 混合液中，并继续 机械搅拌，升温 80℃，加速乙醇挥 发，干燥，已得到 混合均匀的复合粉
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镁基复合材料研究现状概要
镁基复合材料的主要特点是低密度、高比强度和比刚度、良好的耐磨性、 良好的耐高温性、良好的耐冲击性、优良的减震性、良好的尺寸稳定性、良 好的铸造性以及优异的电磁屏蔽性能等。由于存在低熔点，高化学活性，易 燃，易氧化等特点，有关适合镁基复合材料的制备工艺一直以来是人们研究 和解决的一大热点。因为镁的熔点接近于铝的熔点，所以很多的制备方法都 是在铝基复合材料的研究基础上进行推广和改进的。比较传统的方法有普通 铸造法、搅拌铸造法、挤压铸造法和粉末冶金法，此外又出现了许多比较新 型的制备方法，如机械合金化法、熔体浸渗法、喷射沉积法、自蔓延高温合 成法、重熔稀释法和反复塑性变形法等。不同镁基复合材料制备方法。近年 来，准晶、碳纤维和石墨烯等新型增强体研究取得了较大进展，增强体与镁 及镁合金之间的界面润湿性问题也通过不同工艺被逐渐解决，这为镁基复合 材料的研究人员带来了新的灵感。
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镁
它呈银白色，熔点649℃，质轻，密度为1.74克/厘米3，约为铜的1/4、铝的 2/3；其化学活性强，与氧的亲合力大，常用做还原剂。粉状或细条状的镁，在空 气中很易燃烧，燃烧时发出眩目的白光。但极易溶解于有机和无机酸中。镁能直 接与氮、硫和卤素等化合。金属镁无磁性，且有良好的热消散性。质软，熔点较 低。 镁是燃烧弹和照明弹不能缺少的组成物；镁粉是节日烟花必需的原料；
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镁基复合材料
Al2O3颗粒 或纤维 SiC颗粒 或晶须 碳（石 墨）纤维
镁化合 物
增强相 基体
铸镁
镁合金 镁化合 物
Al18B4O33 颗粒或晶 须
镁合金
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我是镁
我是新材 料之王， 石墨烯
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石墨烯镁基复合材料的研究背景
伴随石墨烯研究热潮的不断推进，基于石墨烯优良的物理化学性能，人们 也试图将石墨烯引入到金属基复合材料中，期望利用其某一或某些特性对金属 基体的性能进行强化。目前，诸多文献已提到用石墨烯来强化Al、Cu、Ni等金 属基体，且石墨烯对以上金属基体都能起到良好的强化作用。在镁基体中添加 石墨烯作为增强体是一种以不增加镁合金比重为前提，并且能有效改善镁合金 线性膨胀热稳定性，提高合金抗拉强度的可行方法。但由于镁本身的化学性质 较活泼，很容易在制备过程中发生化学反应，因此对于以镁或镁合金作为基体 的复合材料而言，应严格控制制备过程中的工艺参数，防止界面处的不良反应。 目前，镁基复合材料的制备工艺还有待于改进和完善，其准确的复合机理、界 面处的强化机制等建设性的研究还不是相当全面。与传统的颗粒、晶须和纤维 增强镁基复合材料不同，对石墨烯增强镁基复合材料而言，石墨烯在镁基体中 的形态为片状，因此关于这方面的研究将又是一种新的研究方向。