[发明专利]一种轻质高刚度三维网络结构镁基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种镁基复合材料，具体涉及一种轻质高刚度三维网络结构镁基复合材料及其制备方法，该复合材料由陶瓷增强体骨架和镁基体组成；陶瓷增强体骨架的体积百分含量为10％～80％，其余为镁基体；具有独立拓扑结构的陶瓷增强体骨架和镁基体在三维空间穿插互补结合，构成具有三维互穿网络结构的复合材料。与现有技术相比，通过本发明制备得到的复合材料具有三维互穿网络结构，显著改善高水平应力集中；由高刚度陶瓷材料制备，显著提高复合材料的刚度，材料尺寸稳定，综合性能优良，充分发挥组元间协同耦合作用。本发明制备的镁基复合材料弹性模量可高达104～166GPa，抗压强度为307～680MPa，密度为2.10～2.94g/cm³。

技术领域

本发明涉及一种镁基复合材料，具体涉及一种轻质高刚度三维网络结构镁基复合材料及其制备方法。

背景技术

在新的军事战略环境下，卫星、导弹等领域对控制和导航系统的重量、精度和稳定性提出了更为苛刻的要求，要求构件质量轻且具有足够大的静态刚度和尽可能高的动态固有频率，对轻质高模量材料需求迫切。开发轻质高模量材料对导弹射程和精度、卫星有效载荷和整体指标的提升均具有决定性作用。但现有合金很难同时满足密度低、强度高、刚度高的要求。

镁合金作为当前应用最轻的金属结构材料，由于其较高的比强度和比刚度、电磁屏蔽性好、良好的切削加工能力、良好的导电和导热性以及易回收等优点被航空航天、3C电子产品、交通运输以及国防等领域广泛青睐，被誉为“21世纪的绿色能源材料”。然而由于其绝对强度和刚度较低，严重限制了其应用范围和产业化推广。因此，制备高强度高模量的镁基复合材料是当前亟待解决的问题之一，从而进一步扩大其应用领域和应用范围。

弹性模量从宏观角度来说，是衡量材料抵抗弹性变形能力的大小，从微观角度来说，是原子、离子或分子之间键合强度的综合反映。凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。

关于镁合金的弹性模量，已有的研究结果表明：热处理、温度、变形速率以及塑性变形方式等因素对镁合金的弹性模量影响较弱，对镁合金弹性模量的提升有限；合金化方法虽然能有效提升镁的弹性模量，但模量值很难突破70GPa，仍然难以满足使用要求。

中国专利CN111745162A公开了具有三维互穿网络结构的形状记忆合金增强镁基复合材料及其制备方法，该复合材料由体积分数为10％～80％的形状记忆合金增强体与镁或镁合金基体组成，具有三维互穿网络结构，表现为增强体与基体分别具有独立的拓扑结构并在三维空间穿插互补结合。该复合材料的制备方法为：采用3D打印技术制备具有网络拓扑结构的形状记忆合金增强体骨架，在真空或保护气氛下利用熔融的镁或镁合金熔体浸渗该骨架，凝固冷却后得到复合材料。但该发明仅针对压缩强度和塑性等进行研究，而弹性模量是镁基复合材料中一项十分重要的性能指标，该专利并未对其进行研究，三维互穿网络结构的形状记忆合金对该复合材料弹性模量的提升效果不明。

发明内容

复合化是制备高模量镁基材料的有效手段。三维网络结构陶瓷增强镁基复合材料的出现有望同时满足构件对密度低、强度高、刚度高的要求，解决现有镁基复合材料综合性能差的问题。目前制备三维连续网络结构陶瓷/镁基复合材料的核心是多孔陶瓷预制体的制备。

现有的多孔陶瓷预制体的主要制备方法有：泡沫塑料先驱体挂浆成型法、颗粒堆积法、造孔剂法、陶瓷粉末烧结法、溶胶凝胶法、自蔓延高温合成法、玻璃分相腐蚀法等。但这些制备方法对于预制体的孔径和孔隙率无法进行有效的控制和调节，所以得到的陶瓷孔径大小往往相差多个数量级，严重影响材料的局部和整体性能。而且现有的制备工艺复杂，制备周期长，无法实现复杂结构的近终成型，严重限制了其最终产品的大规模应用。总体而言，目前的增强体制备方法普遍存在增强体分布不均匀、内部结构不可控等问题，而且复合材料制备周期长、界面结合弱、性能稳定性差、构件加工难度高。