CN108467958A - 锑化镁晶须-硅化镁颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法 - Google Patents

锑化镁晶须-硅化镁颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Mg3Sb2晶须‑Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料及其制备方法和应用，将不同质量的Mg粉、Sb粉和Si粉混合均匀，将混合粉末装入模具，压制成型，成型的制品用石墨纸包覆后放入在650‑750℃的烧结炉中烧结。在烧结过程中，加热温度达到630℃后Sb熔化，首先Mg和Sb反应形成Mg3Sb2晶须，随着加热温度提高，Mg和Si形成Mg2Si颗粒。最终获得Mg3Sb2晶须为主要强化相，Mg2Si颗粒为辅助强化相的镁基复合材料。通过Mg3Sb2晶须超高的强度和Mg2Si颗粒很高的硬度协同强化，提高复合材料的性能。

Description

锑化镁晶须-硅化镁颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料及其制备方法和应用，属于材料工程技术领域。
背景技术
镁基复合材料密度小、比强度和比刚度高，具有优良的力学和物理性能，成为现代高新技术领域最有希望采用的一种复合材料。非连续相增强镁基复合材料具有工艺简单、力学性能优良、易加工、变形和成本低廉等一系列优点，复合增强镁基复合材料通过两种增强相之间性能的互补，能够获得单一增强相所无法比拟的特殊性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料制备方法，这种材料具有和镁合金相同的密度，同时具有比镁合金高的力学性能和耐腐蚀性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取质量比为1.2～12：1的Mg粉、Sb粉，加入质量为Mg粉和Sb粉总质量的5％～10％的Si粉，将三者混合均匀，得到Mg-Sb-Si混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的Mg-Sb-Si混合粉末装入模具，压制成型；
(3)将经步骤(2)压制成型的制品用石墨纸包覆；
(4)将经步骤(3)石墨纸包覆的制品放入660℃～750℃的烧结炉中烧结，即得到Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料。
步骤(1)中，Mg粉、Sb粉和Si粉的粒度为20～50μm。
步骤(2)中，压制压力为100～600MPa。
步骤(3)中，所述石墨纸的厚度为0.1～1mm。
步骤(4)中，所述烧结炉为真空烧结炉、气氛保护烧结炉或微波烧结炉。
一种Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料，由上述制备方法制备得到。
上述Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料在材料工程技术领域的应用。
本发明的技术原理具体如下：
混合后的Mg粉、Sb粉和Si粉在烧结过程中会发生以下两个化学反应：
3Mg+2Sb＝Mg3Sb2
2Mg+Si＝Mg2Si
上述反应在不同温度下的反应吉布斯自由能ΔG如表1所示。
表1Mg3Sb2和Mg2Si在不同温度下反应的吉布斯自由能ΔG(单位：kJ/mol)
从表1可以看出，两种化合物在不同温度下反应的吉布斯自由能都为负值，反应能够进行。但Mg3Sb2生成反应的ΔG负值是Mg2Si生成反应的4倍左右，表明在烧结过程中Mg3Sb2生成反应发生的趋势远大于Mg2Si生成反应，会优先发生。
从Mg3Sb2的晶体结构来看，930℃以下为α-Mg3Sb2，α-Mg3Sb2具有负的形成能，比较稳定，晶体结构属于反α-La2O3结构类型。这种晶体结构在不同晶面的生长速度明显地呈各向异性。这是由于晶体的不同晶面族具有不同的晶面间距和原子密度，那么不同的晶面会有不同的晶面能，而密排面的晶面能最小，所以在晶体长大的过程中总是作为最外层的表面存在。另外，Si在非密排面的界面上富集形成许多台阶，使得Mg、Sb原子比较容易在上面堆砌，因此其生长速度远远快于密排面的生长速度。快速生长的非密排面消失，晶体表面逐渐被一些密排晶面所覆盖，所形成的生长形态即为片层状。对于Mg3Sb2来讲，晶面族{0001}为Mg3Sb2的密排面，它的生长模型如图1所示，这是在晶体在平衡结晶过程中的生长形态。
在烧结的过程中，烧结体中会产生液相，因此晶体在局部的液-固液两相区进行激烈的反应，即原子饱和度较高的方向上进行择优生长，因此Mg3Sb2生长为晶须(如图2所示)。
Sb元素为表面活性元素，在Mg2Si形核、长大过程中，Sb元素容易富集在Mg2Si的生长界面上，抑制了Mg2Si在<001>晶向的优先生长，从而调整两晶向之间的相对生长速度，使Mg2Si在<001>晶向和<111>晶向的生长速率比值减小，逐渐减慢Mg2Si在长轴方向生长，枝晶形态会逐渐消失，Mg2Si会由枝晶状转变为颗粒状，甚至球状。同时，Sb元素的富集，会使Mg2Si枝晶分枝更容易发生劲缩而熔断成较细小的颗粒状，起到细化晶粒的作用。此外，Sb元素富集于Mg2Si的晶界表面或者晶界边缘，也会降低Mg2Si晶体长大时所需的表面能，进而降低其临界形核功，进一步促进其形核，Mg2Si晶粒细化。
在烧结过程中，Mg3Sb2会先于Mg2Si生成。所以从理论上讲，反应生成的Mg3Sb2，一部分可以作为Mg2Si的形核核心。但是，决定Mg3Sb2能否成为Mg2Si形核核心的关键是两者的晶格错配度，当错配度小于6％时，则Mg3Sb2可以作为Mg2Si形核的核心，反之则不能。Mg2Si为面心立方晶格，Mg3Sb2为六方结构。根据Bramfitt提出的二维点阵模型理论，经计算Mg3Sb2的低指数面(0001)与Mg2Si的低指数面(111)的点阵错配度小于6％，因此在整个反应过程中，部分Mg3Sb2可以作为Mg2Si非自发形核核心，从而获得大量细小Mg2Si晶粒，得到颗粒状Mg2Si(如图3所示)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
以Mg3Sb2晶须为主要强化相，Mg2Si颗粒为辅助强化相的镁基复合材料中，Mg3Sb2晶须具有超高的强度性能，Mg2Si颗粒具有很高的硬度，镁基复合材料中Mg3Sb2晶须和Mg2Si颗粒同时存在时，能够充分发挥Mg3Sb2晶须对基体的强化作用，通过Mg3Sb2晶须和基体两相之间牢固的界面结合将作用在基体上的载荷传递到Mg3Sb2晶须上，由Mg3Sb2的高强度来承受外力。在拉伸或压缩变形过程中，当压应力或拉应力作用时“较软”的镁基体出现变形趋势，Mg3Sb2晶须可以通过很小的轻微变形，形成密集排布的网状结构，作为基体进一步变形前的骨架起到保护基体的作用，阻止其发生进一步形变失效。复合材料中适量Mg2Si颗粒，在承受外力作用时，能够阻碍位错的运动，防止变形时效的发生。同时，Mg2Si相高的硬度，能够提高复合材料的耐磨性能。
附图说明
图1为Mg3Sb2的生长模型图。
图2为Mg3Sb2的晶须形貌图。
图3为Mg2Si的颗粒形貌图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步作描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1：Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量比为Mg：Sb＝1.2：1称量Mg粉、Sb粉，再加入占Mg粉和Sb粉总质量10％的Si粉，混合均匀。Mg粉、Sb粉和Si粉的粒度为20～50μm。
(2)将步骤(1)得到的Mg-Sb-Si混合粉末装入模具，在压力机上压制成型，压力机压制力为600MPa。
(3)将经步骤(2)压制成型的制品用石墨纸包覆，石墨纸的厚度为0.1mm。
(4)将经步骤(3)石墨纸包覆的制品放入真空烧结炉中烧结，烧结温度为750℃。
在烧结过程中，加热温度达到630℃后Sb熔化，首先Mg和Sb反应形成Mg3Sb2晶须，随着加热温度提高，Mg和Si形成Mg2Si颗粒。最终获得Mg3Sb2晶须为主要强化相，Mg2Si颗粒为辅助强化相的镁基复合材料。
实施例2：Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料制备方法
与实施例1不同的是：
(1)按质量比Mg：Sb＝3.3：1，Si粉加入量占Mg粉和Sb粉总质量的7.5％。
(2)压力机压制力为300MPa。
(3)石墨纸的厚度为0.2mm。
(4)氩气氛保护烧结炉中烧结。烧结温度为700℃。
实施例3：Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料制备方法
与实施例1不同的是：
(1)按质量比Mg：Sb＝12：1，Si粉加入量占Mg粉和Sb粉总质量的5％。
(2)压力机压制力为100MPa。
(3)石墨纸的厚度为0.4mm。
(4)微波烧结炉中烧结，烧结温度为660℃。

Claims (7)

1.一种Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取质量比为1.2～12：1的Mg粉、Sb粉，加入质量为Mg粉和Sb粉总质量5％～10％的Si粉，将三者混匀，得到Mg-Sb-Si混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的Mg-Sb-Si混合粉末装入模具，压制成型；
(3)将经步骤(2)压制成型的制品用石墨纸包覆；
(4)将经步骤(3)石墨纸包覆的制品放入660℃～750℃的烧结炉中烧结，即得到Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料。
2.根据权利要求1所述的Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，Mg粉、Sb粉和Si粉的粒度为20～50μm。
3.根据权利要求1所述的Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，压制压力为100～600MPa。
4.根据权利要求1所述的Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述石墨纸的厚度为0.1～1mm。
5.根据权利要求1所述的Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述烧结炉为真空烧结炉、气氛保护烧结炉或微波烧结炉。
6.一种Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料，其特征在于：由权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到。
7.权利要求6所述的Mg3Sb2晶须-Mg2Si颗粒复合增强镁基复合材料在材料工程技术领域的应用。
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