近年來(lái)航空、航天、汽車領(lǐng)域?qū)﹂_(kāi)發(fā)超輕、高硬度、高強(qiáng)度的超級(jí)材料的需求越來(lái)越大。由于高阻尼材料在控制噪音和增強(qiáng)交通工具以及設(shè)備的穩(wěn)定性方面效果顯著，而鎂合金在所有的商用金屬材料中具有最出色的吸振性能，因此，鎂及鎂合金吸引了越來(lái)越多的研究人員的興趣。

　　鎂的密度低、比強(qiáng)度和比模量高、導(dǎo)熱性能好、阻尼減震性能優(yōu)良，在地殼表層金屬礦藏、鹽水湖和海洋中儲(chǔ)量豐富，是現(xiàn)代高科技領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧现?。然而，鎂合金的耐腐蝕性能差、耐磨性能差、高溫性能差、抗蠕變性能差、強(qiáng)度不高，這些缺陷限制鎂合金的進(jìn)一步應(yīng)用。

　　因此，研究人員開(kāi)始尋求一種同時(shí)具有良好的力學(xué)性能和減震性能的新材料，鎂基復(fù)合材料成為最佳選擇之一。通過(guò)采用增強(qiáng)體進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效改善鎂合金的性能，制備得到的鎂基復(fù)合材料可呈現(xiàn)出任一組元所不具備的優(yōu)異性能，如高比剛度、比強(qiáng)度，良好的尺寸穩(wěn)定性和出色的減震性能。此外，鎂基復(fù)合材料還具有電磁屏蔽和儲(chǔ)氫特性等，是一種優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)和功能材料，也是當(dāng)今高新技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用潛力巨大的復(fù)合材料之一。

　　自 20世紀(jì) 80年代末開(kāi)展鎂基復(fù)合材料研究以來(lái)，鎂基復(fù)合材料已成為繼鋁基復(fù)合材料之后的又一具有廣闊應(yīng)用前景和競(jìng)爭(zhēng)力的輕金屬基復(fù)合材料，在航空航天、汽車、電子和運(yùn)輸工業(yè)等領(lǐng)域獲得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　按照增強(qiáng)體種類不同，鎂基復(fù)合材料可以分為顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)、短纖維增強(qiáng)、碳納米管增強(qiáng)、非連續(xù)纖維增強(qiáng)以及連續(xù)纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。

　　Cf/Mg復(fù)合材料及其性能優(yōu)勢(shì)

　　碳纖維增強(qiáng)鎂基（Cf/Mg）復(fù)合材料是以鎂或鎂合金為基體，使用碳纖維進(jìn)行增強(qiáng)，制備得到的一種具有高比強(qiáng)度、高比模量和良好熱穩(wěn)定性的金屬基復(fù)合材料。Ｃf/Ｍg復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度、比剛度和良好的阻尼減振性能、熱電傳導(dǎo)性能、熱穩(wěn)定性。該材料質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)效率高、尺寸穩(wěn)定性好，能滿足航天結(jié)構(gòu)材料的要求，是宇航、兵器、電子等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的理想材料。

　　相比于其他金屬材料或碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，Cf/Mg復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1. 密度低

　　鎂合金是常用工程類金屬中密度最小的合金，相比于其他常用的合金，如鐵、銅、鋅、鎳、鈦、鋁等合金，鎂合金擁有更低的密度和更高的比強(qiáng)度，由其作為基體合金制備的復(fù)合材料較采用其他合金基體的復(fù)合材料擁有更低的密度。?50%體積分?jǐn)?shù)的碳纖維分別與不同合金復(fù)合，經(jīng)計(jì)算獲得的碳纖維復(fù)合材料的密度，其中Cf/Mg 復(fù)合材料的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他金屬基碳纖維復(fù)合材料的密度，略高于樹(shù)脂基復(fù)合材料，這一優(yōu)點(diǎn)使得在保證金屬特性的前提下，大大的降低了整體金屬基復(fù)合材料的密度。

　　相較碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，密度大一直是碳纖維金屬基復(fù)合材料的軟肋，而 Cf/Mg 復(fù)合材料的低密度使得其在減重方面的優(yōu)勢(shì)變得和樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料一樣突出。

　　2. 高比強(qiáng)度、比模量

　　Cf/Mg 復(fù)合材料是由碳纖維和鎂復(fù)合而成的復(fù)合材料，其中力學(xué)性能優(yōu)異碳纖維是復(fù)合材料中的主要受力體，鎂合金作為基體合金主要起連接碳纖維和傳遞載荷的作用。由于碳纖維優(yōu)異的高比強(qiáng)度、高比模量，因此可以賦予Cf/Mg 復(fù)合材料同樣的高比強(qiáng)度和模量特性。

　　3. 導(dǎo)熱、導(dǎo)電性

　　碳纖維擁有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，纖維的石墨化程度越高，其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能越好，以日本東麗公司碳纖維產(chǎn)品為例，東麗T300級(jí)高強(qiáng)中模碳纖維的熱導(dǎo)率為 6.5W/(m*K)，而M55J級(jí)高強(qiáng)高模碳纖維熱導(dǎo)率更是高達(dá)150W/(m*K)。表2為不同材料的熱導(dǎo)率，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，M55J級(jí)高強(qiáng)高模碳纖維熱導(dǎo)率與部分金屬相比已呈現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，而且與鎂熱導(dǎo)率相近。

　　4. 膨脹系數(shù)低

　　碳纖維在沿纖維方向上有極低的熱膨脹系數(shù)，其軸向熱膨脹系數(shù)為負(fù)值，因此，在鎂基體中加入一定來(lái)碳纖維不僅能夠大幅度提高材料的強(qiáng)度和模量，同時(shí)也能夠明顯降低材料的熱膨脹系數(shù)。

　　就比模量和熱穩(wěn)定性而言，高強(qiáng)高模碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料是各種材料中最高的一種。當(dāng)高強(qiáng)高模碳纖維含量達(dá)到50%左右，碳纖維增強(qiáng)鎂復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)幾乎為零。

　　5. 性能穩(wěn)定、加工精度高

　　與樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料相比，C/Mg 復(fù)合材料不存在老化、分解、吸潮的問(wèn)題，也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化，抗疲勞性能高，在空間使用也不會(huì)分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境。

　　碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料由于樹(shù)脂退刀的作用，使得材料的加工精度不高，而在 Cf/Mg復(fù)合材料中，由于合金剛度的存在，使得其加工精度遠(yuǎn)高于樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料，改變了碳纖維復(fù)合材料在尺寸精度要求較高場(chǎng)合受限的局面，使得碳纖維復(fù)合材料適用于精度要求較高場(chǎng)合。

　　Cf/Mg復(fù)合材料的制備方法

　　Cf/Mg復(fù)合材料制備工藝的選取恰當(dāng)與否，在一定程度上決定了復(fù)合材料的性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和前景。目前，常用的Cf/Mg復(fù)合材料制備工藝主要包括粉末冶金法、 液態(tài)浸滲法和攪拌鑄造法等，大部分還是較傳統(tǒng)的制備方法。

　　1.粉末冶金法

　　粉末冶金法是利用粉末冶金原理，將基體粉末與增強(qiáng)纖維按設(shè)計(jì)要求的比例進(jìn)行機(jī)械混合，然后壓坯、燒結(jié)或直接把混合料進(jìn)行熱壓、熱軋、熱擠成型來(lái)制備鎂基復(fù)合材料的方法。粉末冶金法制備鎂基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)主要在于制備過(guò)程中基體純鎂或者鎂合金不必經(jīng)過(guò)全熔的高溫狀態(tài)，因而能避免鑄造法帶來(lái)的諸如鎂合金強(qiáng)烈氧化，基體與增強(qiáng)體界面處發(fā)生嚴(yán)重反應(yīng)等問(wèn)題，此外纖維在基體內(nèi)分布均勻，使鎂基復(fù)合材料具有更好的綜合力學(xué)性能。

　　粉末冶金法另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)增強(qiáng)體類型沒(méi)有限制，可改變?cè)鰪?qiáng)物與基體的配比，制得高體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)相的鎂基復(fù)合材料。但是粉末冶金工藝制造成本較高，生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，制造太大尺寸的坯件和零件有困難。因此粉末冶金法較多的應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究中，在實(shí)際生產(chǎn)中難以獲得廣泛應(yīng)用。

　　2.液態(tài)浸滲法

　　液態(tài)浸滲法又稱熔體浸滲法，是在一定條件下將液態(tài)金屬浸滲到增強(qiáng)材料多孔預(yù)制件的孔隙中,凝固獲得復(fù)合材料的制備方法。液態(tài)金屬浸滲時(shí)有無(wú)外部壓力,常用的可分為無(wú)壓浸滲、壓力浸滲、真空浸滲和真空壓力浸漬。

　　2.1 壓力浸滲法

　　壓力浸滲又稱擠壓鑄造法， 是先將增強(qiáng)顆粒做成預(yù)制件， 加入液態(tài)鎂合金后加壓使熔融的鎂合金浸滲到預(yù)制件中，制成復(fù)合材料的方法。壓力浸滲法的特點(diǎn)是：在高壓作用下，液態(tài)金屬能夠較好的滲入纖維預(yù)制體中，促進(jìn)了鎂合金熔體與纖維之間的潤(rùn)濕，并且能有效消除復(fù)合材料中的微孔、縮孔等缺陷，得到的復(fù)合材料組織致密，且具備更優(yōu)異的力學(xué)性能。該方法制備周期短，制件質(zhì)量較好。其缺點(diǎn)是預(yù)制體制備工藝復(fù)雜，成本較高。

　　2.2 無(wú)壓浸滲法

　　無(wú)壓浸滲法是金屬熔體在無(wú)外界壓力作用下，自發(fā)浸滲增強(qiáng)體纖維預(yù)制件, 制備金屬基復(fù)合材料的方法。 無(wú)壓浸滲法具有工藝簡(jiǎn)單、 成本低廉和增強(qiáng)體的體積可控等優(yōu)點(diǎn)。但是無(wú)壓浸滲法需要在相對(duì)較高的溫度下進(jìn)行，且浸滲速率較低，工藝成本較高，同時(shí)還存在界面反應(yīng),微觀缺陷較多，降低了材料性能。

　　2.3 真空壓力浸漬法

　　真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下, 將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料制成預(yù)制件孔隙中,制備金屬基復(fù)合材料制品的方法。其特點(diǎn)在于：浸漬在真空中進(jìn)行和壓力下凝固，因此制品無(wú)氣孔、疏松和縮孔等鑄造缺陷，組織致密，復(fù)合材料力學(xué)性能。此外，該法工藝參數(shù)易于控制，可避免嚴(yán)重的界面反應(yīng)。但其設(shè)備較復(fù)雜，工藝周期長(zhǎng)、效率較低，制備大尺寸零件要求大型設(shè)備。

　　3.攪拌鑄造法

　　攪拌鑄造法是將纖維增強(qiáng)體直接加入到基體金屬熔體中，通過(guò)攪拌使纖維均勻分散，然后澆鑄成錠坯或鑄件的方法制造纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料， 常與其它方法結(jié)合起來(lái)制備復(fù)合材料。

　　攪拌鑄造法設(shè)備投入少，工藝簡(jiǎn)單，操作方便，生產(chǎn)成本低，可生產(chǎn)大體積的復(fù)合材料，適宜大規(guī)模生產(chǎn)。然而，鑄態(tài)復(fù)合材料易形成氣孔。因此需對(duì)鑄態(tài)復(fù)合材料采取適當(dāng)后續(xù)工藝，如對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行擠壓，可使其氣孔率減少，使組織致密，纖維分布更均勻，有助于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

　　Cf/Mg復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

　　相對(duì)于發(fā)展更為成熟的碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，Cf/Mg 復(fù)合材料這種輕質(zhì)高強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料在保持高力學(xué)性能的前提下，還具備樹(shù)脂基復(fù)合材料所欠缺的高溫性能，低熱膨脹性，高尺寸穩(wěn)定性，導(dǎo)電導(dǎo)熱性等等優(yōu)異的綜合性能，具有金屬優(yōu)點(diǎn)的 Cf/Mg復(fù)合材料將克服碳纖維復(fù)合材料在很多場(chǎng)合的使用限制，因此 Cf/Mg復(fù)合材料這一高性能復(fù)合材料的成功開(kāi)發(fā)利用對(duì)于航空航天等領(lǐng)域有著非常重要的意義

　　美國(guó)航空航天局（NASA）采用Cf/Ｍg復(fù)合材料制作衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)、空間動(dòng)力回收系統(tǒng)構(gòu)件、空間站撐桿、航天飛機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、空間反射鏡架等。

　　哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的部分構(gòu)件采用Cf/Ｍg復(fù)合材料；美國(guó)金屬基鑄造復(fù)合材料公司制備了連續(xù)和非連續(xù)高強(qiáng)高模碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于大氣層外殺傷飛行器（EKV）的反射鏡鏡架和測(cè)量用構(gòu)件中。

　　Cf/Mg復(fù)合材料性能的影響因素

　　增強(qiáng)體均勻分布、界面結(jié)合良好、基體晶粒細(xì)小是Cf/Mg復(fù)合材料具有優(yōu)良性能的前提。Cf/Mg復(fù)合材料性能影響因素具體在于以下幾個(gè)方面：

　　1.增強(qiáng)碳纖維性能

　　碳纖維作為 Cf/Mg 復(fù)合材料的增強(qiáng)體，在材料承載過(guò)程中是主要的受力體，碳纖維提供的性能高低直接影響復(fù)合材料的性能。碳纖維的高溫抗氧化性較差，表現(xiàn)為明顯的氧化失重和碳纖維力學(xué)性能降低。碳纖維和鎂復(fù)合時(shí)，含有碳纖維的預(yù)制件一般預(yù)熱溫度會(huì)超過(guò) 500℃，浸滲時(shí)實(shí)際鎂熔體溫度也不會(huì)低于熔點(diǎn)（660℃），這一階段很容易造成無(wú)保護(hù)纖維因氧化失重導(dǎo)致性能下降。

　　針對(duì)碳纖維因氧化失重造成的性能下降，碳纖維表面涂覆陶瓷涂層可以有效的解決這一問(wèn)題，耐熱陶瓷涂層能夠阻止碳纖維和氧氣的接觸，起到保護(hù)碳纖維的作用。 陶瓷涂層主要分為氧化物涂層、碳化物涂層和氮化物涂層三類。

　　2.碳纖維/鎂基體間界面

　　碳纖維與鎂基體之間的界面問(wèn)題可直接影響Cf/Mg復(fù)合材料性能，因?yàn)樘祭w維和鎂基體的潤(rùn)濕性差。Cf/Mg復(fù)合材料的增強(qiáng)體表面改性是界面優(yōu)化最有效的途徑之一，具體方法有碳纖維表面氧化、氟酸鹽改性和涂層處理。涂層的引入改變界面的原始結(jié)合狀態(tài)，可以有效地阻止過(guò)度的界面反應(yīng)或者適當(dāng)?shù)卦黾咏缑婊瘜W(xué)反應(yīng)，改善界面潤(rùn)濕性，提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高復(fù)合材料的塑性成形能力。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)Cf/Mg復(fù)合材料制備工藝對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，使用不同制備工藝大部分均可獲得性能較為優(yōu)良的復(fù)合材料，但是生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜、 成本高是制約制備工藝獲得推廣的關(guān)鍵因素。 而且Cf/Mg復(fù)合材料的研究中仍存在一些問(wèn)題，如：纖維與基體結(jié)合不良好，復(fù)合材料有夾雜和氣孔存在等，均會(huì)降低復(fù)合材料力學(xué)性能。

　　目前，美國(guó)等國(guó)開(kāi)發(fā)的Cf/Mg復(fù)合材料已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位在該領(lǐng)域開(kāi)展基礎(chǔ)研究，從實(shí)驗(yàn)室到規(guī)?；a(chǎn)還有很長(zhǎng)一段路要走。但是，碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料性能優(yōu)異，尤其是以高強(qiáng)高模碳纖維為增強(qiáng)體，制備的Cf/Mg復(fù)合材料性能最為優(yōu)異，且熱膨脹系數(shù)幾乎為零，在人造衛(wèi)星無(wú)線骨架、支撐架、反射鏡和空間站構(gòu)架等領(lǐng)域已獲得關(guān)鍵應(yīng)用，成為航天領(lǐng)域理想的結(jié)構(gòu)材料，結(jié)構(gòu)效率最高，因此勢(shì)必成為未來(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)材料之一。