轻质高强Mg-Li基复合材料研究进展

王红亮，邱智海

（湖南有色金属职业技术学院，湖南 株洲 412006）

随着国家节能减排战略的提出及全球范围内出现能源紧张问题，轻量化是未来高科技产业器件和装置一个重要的发展方向。因此开发轻质高强材料成为目前各国科学家亟需解决的一个热点。超轻Mg-Li合金作为目前最轻的金属结构材料，是实现轻量化的首选材料之一。Mg-Li合金的密度一般为1.30-1.65g/cm3，仅为Al合金的50%，传统Mg合金的75%。Mg-Li合金超轻的优势，这是目前任何合金所无法比拟的。

1 Mg-Li基复合材料常见基体和增强体

1.1 基体合金

众所周知，复合材料的塑性相比于基体合金自身塑性下降显著，严重影响其后面的塑性加工成形。因此国内外科学家选用塑性好的单相（β）和双相（α+β）Mg-Li合金作为基体。目前，研究较多的主要有Mg-8Li、Mg-9Li、Mg-10Li、Mg-12Li等几种二元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 增强体

目前，很多学者开发了增强颗粒为Al2O3、SiC、B等Mg-Li基复合材料，但研究结果表明，上述增强颗粒由于与基体合金在物理特性等方面的差异悬殊而导致复合材料界面相容性不好，从而导致其塑性较差。

（1）C纤维。因具有低密度和高强度的特性，C纤维是轻质高强Mg-Li基复合材料首选增强体之一。但研究发现，Mg-Li-C系统的热力学性质不稳定，C纤维与Mg-Li合金迅速反应生成Li2C2化合物，因而严重损伤C纤维，增强效果不是很理想[1]。

（2）Al2O3。1989年，英国剑桥大学的Mason等利用压力浸渗法制备Al2O3纤维增强Mg-Li基复合材料，研究发现，由于Li的扩散速率高、化学性质活泼易与增强相发生界面反应，如与Al2O3纤维中粘结剂SiO2反应生成Mg2Si相，从而弱化了增强效果。

（3）B或B4C颗粒。马春江等用粉末冶金法成功制备出增强颗粒B分布均匀的Mg-14Li-B复合材料。但该方法工艺过程冗长、合金粉末制备困难、制备成本高。

（4）MgO/Mg2Si颗粒。山东大学的卢庆亮等通过液态原位反应合成法制备MgO/Mg2Si颗粒增强Mg-Li基复合材料，结果发现复合材料中增强粒子与基体界面结合良好，无反应物生成。

（5）SiC晶须。SiC是复合材料中常用的增强体。马春江等采用真空浸渗法成功制备出SiC晶须增强Mg-Li基复合材料，结果表明合金的抗拉强度显著提高，但塑性下降显著且增强相的含量不易控制[2]。

（6）YAl2颗粒。北京航空航天大学王素洁等从金属间化合物特性入手利用搅拌铸造法制备了5wt.% YAl2/Mg-Li复合材料。研究了复合材料界面、组织特征和室温力学性能，结果表明，YAl2颗粒在基体中分布均匀，界面平整没有明显的界面反应，提高了合金的力学性能[3]。

1.3 常见Mg-Li基复合材料力学性能

经过查阅相关资料，列出了几种常见的Mg-Li基复合材料力学性能（见表1）。经对比分析，发现复合材料抗拉强度随着增强体数量的增加而增加，但其塑性却显著降低，限制了其作为结构材料的应用。

表1 几种典型的Mg-Li基复合材料力学性能

2 Mg-Li基复合材料最新研究进展

Al2O3纤维、B4C颗粒、B颗粒、SiC晶须等增强相可以提高Mg-Li合金的强度，但是增强效果有限或塑性下降显著，难以满足工程化应用需求。研究发现，随着增强体粒径的减小，复合材料的强化机制会发生改变，进而影响复合材料的性能。Ramakrishna等同时考虑载荷传递强化和位错强化两种因素的影响，建立了微米颗粒增强金属基复合材料的屈服强度预测模型。结果发现，该模型的预测值与实验值比较吻合，SiCp/Al基复合材料的屈服强度随增强体粒径的减小而提高，当SiC尺寸减小到一定限度时，复合材料的预测屈服强度近似呈指数增长。但该模型只适用于微米颗粒增强复合材料，对亚微米及纳米颗粒增强不适用。

近来北京航空航天大学吴国清课题组等开发了超细颗粒YAl2/Mg-Li基复合材料，发现YAl2与Mg-Li基体合金具有良好的界面相容性，同时超细颗粒突破了原有的强化模式，在显著提高Mg-Li基复合材料强度的同时保持了较好的塑性，有效提高了Mg-Li基复合材料的综合力学性能。

3 结语

Mg-Li合金具有高比强度、比刚度及良好的抗电磁屏蔽性等优点在轻量化领域具有广阔的应用前景。但因其绝对强度低限制了其应用，而复合强化是一个不错的强化手段。本文系统分析了Mg-Li基复合材料的研究状况，发现Mg-Li基复合材料也存在复合材料的一些通病，比如界面反应、制备工艺复杂、成本高等。此外发现超细颗粒可以显著提高复合材料强度的同时还可以保持其较好塑性。这为后面研究Mg-Li基复合材料提供一些参考和方向。