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、高比強度和良好的生物相容性等特點，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，顆粒增強金屬基復(fù)合材料成為了研究的熱點。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等特點，且不會與Mg形成穩(wěn)定的化合物，被廣泛用于鎂合金的增強相。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，還顯著提高了其強度和耐磨性。因此，SiC顆粒增強的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顆粒增強鎂基復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，但在實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，SiC顆粒的分散性問題，尤其是納米SiC顆粒在鎂合金熔體中的團聚現(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)合不良會導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂紋的形成，從而降低材料的強度和韌性。此外，SiC顆粒的尺寸效應(yīng)對復(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顆粒對鎂合金的晶粒細化作用和強化機制不同，需要深入研究以優(yōu)化復(fù)合材料的性能。因此如何通過改進制備工藝來提高SiC顆粒的分散性和界面結(jié)合性，以及如何通過顆粒尺寸的優(yōu)化來進一步提升復(fù)合材料的性能，成為了當(dāng)前研究中亟待解決的問題。

針對上述問題，太原理工大學(xué)的團隊利用澤攸科技ZEM20臺式掃描電鏡進行了深入研究。他們通過半固態(tài)機械攪拌法制備了單尺寸和雙尺寸SiC顆粒增強的AZ91D鎂基復(fù)合材料，并詳細分析了不同尺寸SiC顆粒對復(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，以期通過不同尺寸顆粒之間的協(xié)同作用進一步細化晶粒、強化界面結(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

論文的主要研究內(nèi)容圍繞單尺寸和雙尺寸SiC顆粒對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顆粒以及同時含有兩種尺寸SiC顆粒的雙尺寸復(fù)合材料。通過這種方法，研究團隊探索了不同尺寸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化，尤其是納米級SiC顆粒的添加，由于其高能界面效應(yīng)促進了新晶粒的形核，從而進一步細化了晶粒結(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，使得復(fù)合材料的晶粒更加細小。對于雙尺寸復(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)合材料的抗拉強度、屈服強度及伸長率，特別是10納米SiC顆粒增強的復(fù)合材料，其抗拉強度達到了198 MPa，比原始AZ91D合金提高了34.7%，而屈服強度則增加了46.7%。這些提升主要歸因于細晶強化、彌散強化和載荷傳遞機制的共同作用。細晶強化是由于晶粒尺寸減小導(dǎo)致的屈服強度增加；彌散強化是因為SiC顆粒阻礙了位錯運動，使得β-Mg??Al??相變得不連續(xù)和精細化；載荷傳遞則是指較硬的SiC顆粒在拉伸過程中保護內(nèi)部較軟的α-Mg基體，從而提高整體的抗拉強度。

圖 拉伸試驗后雙尺寸復(fù)合材料的SEM和TEM顯微組織

斷裂機制分析顯示，復(fù)合材料的裂紋主要沿著微米SiC顆粒與AZ91D基體的界面擴展，這是因為微米SiC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，在拉伸過程中沒有出現(xiàn)微裂紋，表明其具有更高的界面結(jié)合強度和較低的應(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系列臺式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經(jīng)濟實用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實驗需求。該設(shè)備對安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購買及維護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。