隨著全球節(jié)能減排和環(huán)保要求的日益提高，輕質(zhì)、高強(qiáng)度的鎂合金材料因其優(yōu)異的綜合性能而受到廣泛關(guān)注。鎂合金以其低密度、高比強(qiáng)度和良好的生物相容性等特點(diǎn)，在航空航天、汽車制造、電子通訊等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，純鎂的強(qiáng)度和硬度較低，限制了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。為了提高鎂合金的性能，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成為了研究的熱點(diǎn)。SiC顆粒因其熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好、硬度高及抗氧化性強(qiáng)等特點(diǎn)，且不會(huì)與Mg形成穩(wěn)定的化合物，被廣泛用于鎂合金的增強(qiáng)相。SiC顆粒與AZ91D鎂合金結(jié)合，不僅保持了鎂合金的輕質(zhì)優(yōu)勢(shì)，還顯著提高了其強(qiáng)度和耐磨性。因此，SiC顆粒增強(qiáng)的AZ91D鎂基復(fù)合材料在制備螺旋槳、導(dǎo)彈尾翼和氣缸等方面得到了廣泛應(yīng)用，成為應(yīng)用鎂基復(fù)合材料之一。

盡管SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，SiC顆粒的分散性問(wèn)題，尤其是納米SiC顆粒在鎂合金熔體中的團(tuán)聚現(xiàn)象，影響了復(fù)合材料的均勻性和力學(xué)性能。其次，SiC顆粒與鎂合金基體的界面結(jié)合性也是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，界面結(jié)合不良會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂紋的形成，從而降低材料的強(qiáng)度和韌性。此外，SiC顆粒的尺寸效應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的微觀組織和力學(xué)性能有顯著影響，不同尺寸的SiC顆粒對(duì)鎂合金的晶粒細(xì)化作用和強(qiáng)化機(jī)制不同，需要深入研究以優(yōu)化復(fù)合材料的性能。因此如何通過(guò)改進(jìn)制備工藝來(lái)提高SiC顆粒的分散性和界面結(jié)合性，以及如何通過(guò)顆粒尺寸的優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步提升復(fù)合材料的性能，成為了當(dāng)前研究中亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，太原理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技ZEM20臺(tái)式掃描電鏡進(jìn)行了深入研究。他們通過(guò)半固態(tài)機(jī)械攪拌法制備了單尺寸和雙尺寸SiC顆粒增強(qiáng)的AZ91D鎂基復(fù)合材料，并詳細(xì)分析了不同尺寸SiC顆粒對(duì)復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的影響。該研究旨在優(yōu)化復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能，以期通過(guò)不同尺寸顆粒之間的協(xié)同作用進(jìn)一步細(xì)化晶粒、強(qiáng)化界面結(jié)合并提高整體的力學(xué)性能，為這類復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，研究成果發(fā)表在《特種鑄造及有色合金》期刊上。

圖 SiC顆粒的表面形貌

論文的主要研究?jī)?nèi)容圍繞單尺寸和雙尺寸SiC顆粒對(duì)AZ91D鎂合金顯微組織及力學(xué)性能的影響展開。研究人員采用半固態(tài)機(jī)械攪拌法，以AZ91D鎂合金作為基體材料，并引入平均顆粒尺寸分別為10微米和10納米的SiC顆粒作為增強(qiáng)相，制備了三種類型的復(fù)合材料：僅含10微米SiC顆粒、僅含10納米SiC顆粒以及同時(shí)含有兩種尺寸SiC顆粒的雙尺寸復(fù)合材料。通過(guò)這種方法，研究團(tuán)隊(duì)探索了不同尺寸SiC顆粒在鎂基復(fù)合材料中的分散性、界面結(jié)合特性及其對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

圖 AZ91D和不同尺寸SiCp/AZ91D復(fù)合材料的顯微組織

研究表明，加入SiC顆粒后，復(fù)合材料的晶粒得到了顯著細(xì)化，尤其是納米級(jí)SiC顆粒的添加，由于其高能界面效應(yīng)促進(jìn)了新晶粒的形核，從而進(jìn)一步細(xì)化了晶粒結(jié)構(gòu)。此外，SiC顆粒主要沿晶界偏析，這種分布方式有助于限制基體材料的晶粒生長(zhǎng)，使得復(fù)合材料的晶粒更加細(xì)小。對(duì)于雙尺寸復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)納米SiC顆粒傾向于以團(tuán)簇形式分布在微米SiC顆粒周圍，這可能是由顆粒之間的黏合或互鎖引起的，但并未觀察到明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，表明納米SiC顆粒與基體的結(jié)合良好。

圖 雙尺寸SiCp/AZ91復(fù)合材料的SEM顯微照片及成分分析

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，SiC顆粒的加入顯著提升了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率，特別是10納米SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到了198 MPa，比原始AZ91D合金提高了34.7%，而屈服強(qiáng)度則增加了46.7%。這些提升主要?dú)w因于細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和載荷傳遞機(jī)制的共同作用。細(xì)晶強(qiáng)化是由于晶粒尺寸減小導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度增加；彌散強(qiáng)化是因?yàn)镾iC顆粒阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得β-Mg??Al??相變得不連續(xù)和精細(xì)化；載荷傳遞則是指較硬的SiC顆粒在拉伸過(guò)程中保護(hù)內(nèi)部較軟的α-Mg基體，從而提高整體的抗拉強(qiáng)度。

圖 拉伸試驗(yàn)后雙尺寸復(fù)合材料的SEM和TEM顯微組織

斷裂機(jī)制分析顯示，復(fù)合材料的裂紋主要沿著微米SiC顆粒與AZ91D基體的界面擴(kuò)展，這是因?yàn)槲⒚譙iC顆粒抵抗塑性變形的能力較高，容易在界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中。相比之下，納米SiC顆粒與基體之間的界面結(jié)合較好，在拉伸過(guò)程中沒有出現(xiàn)微裂紋，表明其具有更高的界面結(jié)合強(qiáng)度和較低的應(yīng)力集中。該研究不僅揭示了單/雙尺寸SiC顆粒對(duì)AZ91D鎂合金復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的具體影響，還為優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝和提升其實(shí)際應(yīng)用性能提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號(hào)探測(cè)器選擇，適用于形貌觀測(cè)和成分分析，還能適配多種原位實(shí)驗(yàn)需求。該設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購(gòu)買及維護(hù)成本均低于落地式掃描電鏡，現(xiàn)已成為許多高校、研究所和企業(yè)的選擇設(shè)備之一。