近年來航空、航天、汽車領(lǐng)域?qū)﹂_發(fā)超輕、高硬度、高強度的超級材料的需求越來越大。由于高阻尼材料在控制噪音和增強交通工具以及設(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越多的研究人員的興趣。
鎂的密度低、比強度和比模量高、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牟牧现弧Ｈ欢?a href=http://m.nicastaneda.com target=_blank class=infotextkey>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、強度不高，這些缺陷限制鎂合金的進一步應(yīng)用。
因此，研究人員開始尋求一種同時具有良好的力學(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。通過采用增強體進行設(shè)計，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氫特性等，是一種優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)和功能材料，也是當今高新技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用潛力巨大的復(fù)合材料之一。
自 20世紀 80年代末開展鎂基復(fù)合材料研究以來，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)用前景和競爭力的輕金屬基復(fù)合材料，在航空航天、汽車、電子和運輸工業(yè)等領(lǐng)域獲得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
按照增強體種類不同，鎂基復(fù)合材料可以分為顆粒增強、晶須增強、短纖維增強、碳納米管增強、非連續(xù)纖維增強以及連續(xù)纖維增強鎂基復(fù)合材料。
Cf/Mg復(fù)合材料及其性能優(yōu)勢
碳纖維增強鎂基（Cf/Mg）復(fù)合材料是以鎂或鎂合金為基體，使用碳纖維進行增強，制備得到的一種具有高比強度、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脂基復(fù)合材料，Cf/Mg復(fù)合材料具有以下優(yōu)點：
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%體積分數(shù)的碳纖維分別與不同合金復(fù)合，經(jīng)計算獲得的碳纖維復(fù)合材料的密度，其中Cf/Mg 復(fù)合材料的密度遠遠低于其他金屬基碳纖維復(fù)合材料的密度，略高于樹脂基復(fù)合材料，這一優(yōu)點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)勢變得和樹脂基碳纖維復(fù)合材料一樣突出。
2. 高比強度、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)異的高比強度、高比模量，因此可以賦予Cf/Mg 復(fù)合材料同樣的高比強度和模量特性。
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級高強中模碳纖維的熱導(dǎo)率為 6.5W/(m*K)，而M55J級高強高模碳纖維熱導(dǎo)率更是高達150W/(m*K)。表2為不同材料的熱導(dǎo)率，通過對比發(fā)現(xiàn)，M55J級高強高模碳纖維熱導(dǎo)率與部分金屬相比已呈現(xiàn)出一定優(yōu)勢，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)為負值，因此，在鎂基體中加入一定來碳纖維不僅能夠大幅度提高材料的強度和模量，同時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，高強高模碳纖維增強鎂基復(fù)合材料是各種材料中最高的一種。當高強高模碳纖維含量達到50%左右，碳纖維增強鎂復(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、吸潮的問題，也不會發(fā)生性能的自然退化，抗疲勞性能高，在空間使用也不會分解出低分子物質(zhì)污染儀器和環(huán)境。
碳纖維樹脂基復(fù)合材料由于樹脂退刀的作用，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，使得其加工精度遠高于樹脂基碳纖維復(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、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，將基體粉末與增強纖維按設(shè)計要求的比例進行機械混合，然后壓坯、燒結(jié)或直接把混合料進行熱壓、熱軋、熱擠成型來制備鎂基復(fù)合材料的方法。粉末冶金法制備鎂基復(fù)合材料的優(yōu)點主要在于制備過程中基體純鎂或者鎂合金不必經(jīng)過全熔的高溫狀態(tài)，因而能避免鑄造法帶來的諸如鎂合金強烈氧化，基體與增強體界面處發(fā)生嚴重反應(yīng)等問題，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。
粉末冶金法另一個優(yōu)勢在于其對增強體類型沒有限制，可改變增強物與基體的配比，制得高體積分數(shù)增強相的鎂基復(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)用于實驗室研究中，在實際生產(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)金屬浸滲時有無外部壓力,常用的可分為無壓浸滲、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，促進了鎂合金熔體與纖維之間的潤濕，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。其缺點是預(yù)制體制備工藝復(fù)雜，成本較高。
2.2 無壓浸滲法
無壓浸滲法是金屬熔體在無外界壓力作用下，自發(fā)浸滲增強體纖維預(yù)制件, 制備金屬基復(fù)合材料的方法。 無壓浸滲法具有工藝簡單、 成本低廉和增強體的體積可控等優(yōu)點。但是無壓浸滲法需要在相對較高的溫度下進行，且浸滲速率較低，工藝成本較高，同時還存在界面反應(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。其特點在于：浸漬在真空中進行和壓力下凝固，因此制品無氣孔、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，可避免嚴重的界面反應(yīng)。但其設(shè)備較復(fù)雜，工藝周期長、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體直接加入到基體金屬熔體中，通過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鎂基復(fù)合材料， 常與其它方法結(jié)合起來制備復(fù)合材料。
攪拌鑄造法設(shè)備投入少，工藝簡單，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。因此需對鑄態(tài)復(fù)合材料采取適當后續(xù)工藝，如對復(fù)合材料進行擠壓，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
相對于發(fā)展更為成熟的碳纖維樹脂基復(fù)合材料，Cf/Mg 復(fù)合材料這種輕質(zhì)高強的金屬基復(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)點的 Cf/Mg復(fù)合材料將克服碳纖維復(fù)合材料在很多場合的使用限制，因此 Cf/Mg復(fù)合材料這一高性能復(fù)合材料的成功開發(fā)利用對于航空航天等領(lǐng)域有著非常重要的意義
美國航空航天局（NASA）采用Cf/Ｍg復(fù)合材料制作衛(wèi)星桁架結(jié)構(gòu)、空間動力回收系統(tǒng)構(gòu)件、空間站撐桿、航天飛機轉(zhuǎn)子發(fā)動機殼體、空間反射鏡架等。
哈勃太空望遠鏡的部分構(gòu)件采用Cf/Ｍg復(fù)合材料；美國金屬基鑄造復(fù)合材料公司制備了連續(xù)和非連續(xù)高強高模碳纖維增強鎂基復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于大氣層外殺傷飛行器（EKV）的反射鏡鏡架和測量用構(gòu)件中。
Cf/Mg復(fù)合材料性能的影響因素
增強體均勻分布、界面結(jié)合良好、基體晶粒細小是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方面：
1.增強碳纖維性能
碳纖維作為 Cf/Mg 復(fù)合材料的增強體，在材料承載過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，含有碳纖維的預(yù)制件一般預(yù)熱溫度會超過 500℃，浸滲時實際鎂熔體溫度也不會低于熔點（660℃），這一階段很容易造成無保護纖維因氧化失重導(dǎo)致性能下降。
針對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題，耐熱陶瓷涂層能夠阻止碳纖維和氧氣的接觸，起到保護碳纖維的作用。 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題可直接影響Cf/Mg復(fù)合材料性能，因為碳纖維和鎂基體的潤濕性差。Cf/Mg復(fù)合材料的增強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)，可以有效地阻止過度的界面反應(yīng)或者適當?shù)卦黾咏缑婊瘜W(xué)反應(yīng)，改善界面潤濕性，提高界面的結(jié)合強度，從而提高復(fù)合材料的塑性成形能力。
結(jié)束語
通過Cf/Mg復(fù)合材料制備工藝對比分析可以發(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，均會降低復(fù)合材料力學(xué)性能。
目前，美國等國開發(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，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位在該領(lǐng)域開展基礎(chǔ)研究，從實驗室到規(guī)?；a(chǎn)還有很長一段路要走。但是，碳纖維增強鎂基復(fù)合材料性能優(yōu)異，尤其是以高強高模碳纖維為增強體，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，因此勢必成為未來發(fā)展的熱點材料之一。