非氧化物复合新材料的发展具有代表性的非氧化物复合耐火材料不外为Si系和Al系的氮化物或碳化物，因为该两元素在地壳中含量最大，而且容易氮化、碳化。当它们作为耐火材料应用时，人们惊奇地发现它们具有高级耐火材料应具备的优秀品质，因此迅速地从Si3 N4-SiC、SiC-SiC、β-Sialon-SiC发展到β-Sialon-Al2O3和β-Sialon-Al2O3-SiC以及AlN、AlON、Mgalon等体系。
1、赛隆-刚玉-碳化硅系复合材料
赛隆(Sialon)是硅(Si) (Al)氧(O)氮(N)元素化合物的简称，最先在高技术陶瓷中得到发展，其优良性能很快得到耐火材料行业的重视，法国的Sovie公司首先将其制成赛隆结合刚玉(β-Sialon-Al2O3)耐火材料用于，获得了很好的效果，被认为是高炉使用寿命15-20年以上的首选耐火材料。我国已有几个单位对此开展了研究，现在已经达到工业生产水平。我们的重点在于简化工艺、降低和提高质量。研究发现，在β-Sialon-Al2O3体系中加入SiC可以大幅度提高其抗渣、铁侵蚀性能和力学性能；在β-Sialon-SiC体系中加入Al2O3可以大幅度提高抗碱侵蚀性能，从而开发出β-Sialon-Al2O3-SiC三元复合材料。
2、镁阿隆复合材料
镁阿隆的英文表达式为Mgalon，是镁(Mg)铝(Al)氧(O)氮(N)化合物的简称。Al和AlON(阿隆)都是优良的高技术陶瓷材料，但因前者易吸水，后者高温稳定，因此加入Mg为稳定剂而成为Mgalon材料。Mgalon具有比β-Sialon-Al2O3更优良的抗渣、铁侵蚀的性能和力学性能，因此引起了耐火材料界的重视。一些新型的耐火材料，Mgalon-刚玉和Mgalon-尖晶石复合材
料已经开发出来，它们都具有良好化学和力学性能，是一类应用于还原气氛的优良耐火材料。当解决其抗氧化性a能后，将成为洁净钢冶炼的优良材料。
综合前面两体系材料性能的β-Sialon-Mgalon系复合材料已被开发出。毋庸置疑，这是一类值得进一步发展的材料，目前已扩展到Fe、Mn等类材料，都获得了良好的效果。此类材料具有极优越的抗渣、抗铁侵蚀性能和力学性能，而且表现出抗氧化的自愈合性能，显现出作为高级耐火材料所必备的因素。此类砖已在国内外几十座高炉的陶瓷杯使用，都是作为使用寿命12年以上的材料设计的。
3、不定形复合材料.
(1)刚玉-氮化硅高炉陶瓷杯不烧砖。由于优质、低价位氮化硅能够大量供应，使直接应用其为耐火材料成为可能。我们与中原耐火材料公司研制的刚玉-氮化硅高炉陶瓷杯不烧砖具有十分优越的物理和化学性能，生产工艺简便，且无烧砖时产生的污染，已在高炉中应用，并获得良好效果。
(2)氧化镁-氮化硅-金属Fe钢包渣线无碳材料。在纯净钢生产中，常用的镁碳材料已无法再作为钢包内衬使用，而一般氧化物材料又难以经得起炉渣的侵蚀，氧化镁-氮化硅-金属硅材料具有良好的抗渣侵蚀性能。由于氮化硅具有很强的抗渣侵蚀能力和氧化后不留下空位，不降低材料的致密性和强度，其使用寿命已可和镁碳材料相媲美，是个很有使用前景的钢包无碳渣线材料。
(3)刚玉-氮化硅-金属供气元件。耐火氧化物制成的供气元件，通常都会由于铁水或渣渗入吹气孔而损坏。氮化硅与铁水和钢渣的界面张力很大，具有很强的抵御渣铁渗入的能力。材料中再加入金属后，不但可促进材料烧成，而且对氮化硅的氧化起保护作用。其性能已超过刚玉莫来石材料，甚至超过刚玉氧化铬材料。
(4)其它。当高温熔炼炉使用非氧化物氧化物复合耐火材料后，非氧化物复合喷补料也必然发展起来。相应地，以高炉铁沟料为代表的浇注料或自流浇注料同样在向非氧化物复合
材料发展，含氮化硅、赛隆或镁阿隆的试验都在进行着，并已取得良好的结果。还有含氮化硅、碳化硅及铁的高炉炮泥也在积极推广中。
耐火材料与高温技术相伴出现，大致起源于中期。中国东汉时期已用粘土质耐火材料做烧瓷器的窑材和。20世纪初，耐火材料向高纯、高致密和超高温制品方向发展，同时出现了
耐火材料
完全不需烧成、能耗小的和耐火纤维。现代，随着原子能技术、空间技术、新能源技术的发展，具有耐高温、抗腐蚀、抗热振、耐冲刷等综合优良性能的耐火材料得到了应用。
发展
中国在4000多年前就使用杂质少的，烧成陶器，并已能铸造。东汉时期（公元25～220）已用粘土质耐火材料做烧瓷器的窑材和匣钵。20世纪初，耐火材料向高纯、高致密和超高温制品方向发展，同时发展了完全不需烧成、能耗小的不定形耐火材料和高耐火纤维（用于1600℃以上的）。前者如质耐火混凝土，常用于大型化工厂合成氨生产装置的二段转化炉内壁,效果良好。50年代以来,原子能技术、空间技术、新能源开发技术等的迅速发展，要求使用耐高温、抗腐蚀、耐热震、耐冲刷等具有综合优良性能的特种耐火材料，例如高于2000℃的、难熔化合物和高温复合耐火材料等。在中国的发展
、中世纪、文艺复兴时代的耐火材料，工业革命前后、焦炉、热风炉用耐火材料，后期新型耐火材料及其制造工艺，现代耐火材料制造技术及主要技术进步，以及对未来耐火材料发展的展望，耐火材料与高温技术相伴出现，大致起源于青铜器时代中期。中国东汉时期已用粘土质耐火材料做烧瓷器的窑材和匣钵。20世纪初，耐火材料向高纯、高致密和超高温制品方向发展，同时出现了完全不需烧成、能耗小的不定形耐火材料和耐火。现代，随着技术、空间技术、新能源技术的发展，具有耐高温、抗腐蚀、抗热振、耐
耐火材料
冲刷等综合优良性能的耐火材料得到了应用。在中国有许多工厂生产耐火材料产品。有丰富的资源，也正因为这方面的原因，各大外国投资商也来到国内一展身手，展露头角。在中国的东北部，是耐火材料供应商极其丰茂的地区，导致其他国外投资商对其的出口低价格产生了质疑，从而在2003年由提出对中国耐火材料新产品的反倾销，限制了产品对欧盟的出口。2006年中国为保护原材料资源的大量流失，对部分行业进行了减免出品退税，以此极大地限制产品的出口。但这并不能在很大程度上限制一些国外的品牌销售，因为它们拥有几十甚至上百年的销售生产经验，并极大地占有了市场，也创立了它们在各大洲的品牌效应。
种类
耐火材料种类繁多，通常按耐火度高低分为普通耐火材料（1580～1770℃）、（1770～2000℃）和特级耐火材料（2000℃以上）；按化学特性分为、和。此外，还有用于特殊场合的耐火材料。
现在对于耐火材料的定义，已经不仅仅取决于耐火度是否在1580℃以上了。目前耐火材料泛指应用于、石化、水泥、等生产设备内衬的。
成分
酸性耐火材料以氧化硅为主要成分，常用的有硅砖和。硅砖是含氧化硅94％以上的硅质制品，使用的原料有硅石、废硅砖等，其抗酸性侵蚀能力强，高，重复煅烧后体积不收缩，甚至略有膨胀；但其易受碱性渣的侵蚀，抗热震性差。硅砖主要用于、、酸性炼钢炉等热工设备。粘土砖以为主要原料，含有30％～46％的氧化铝，属弱酸性耐火材料，抗热振性
耐火材料
好，对酸性炉渣有抗蚀性，应用广泛。
中性耐火材料以氧化铝、氧化铬或碳为主要成分。含氧化铝95％以上的刚玉制品是一种用途较广的优质耐火材料。以氧化铬为主要成分的铬砖对钢渣的耐蚀性好，但抗热震性较差，高温荷重变形温度较低。有碳砖、和碳化硅质制品，其很低，导热性高，耐热震性能好，高温强度高，抗酸碱和盐的侵蚀，尤其是弱酸碱具有较好的抵抗能力，不受金属和熔渣的润湿，质轻。广泛用作高温炉衬材料，也用作石油、化工的高压釜内衬。
碱性耐火材料以氧化镁、氧化钙为主要成分，常用的是镁砖。含氧化镁80％～85％以上的镁砖，对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性，耐火度比粘土砖和硅砖高。主要用于平炉、吹氧、、有色金属冶炼设备以及一些上。
在特殊场合应用的耐火材料有高温氧化物材料，如氧化铝、、氧化铍、氧化钙、
等，材料，如、氮化物、、硅化物和等；高温，主要有金属陶瓷、高温无机涂层和纤维增强陶瓷等。
主要品种
在普通和特种耐火材料中，常用的品种主要有以下几种：
酸性耐火材料
用量较大的有硅砖和粘土砖。硅砖是含93％以上SiO2的硅质制品，使用的原料有、废硅砖等。硅砖抗酸性炉渣侵蚀能力强，但易受碱性渣的侵蚀，它的荷重软化温度很高，接近其耐火度，重复煅烧后体积不收缩,甚至略有膨胀,但是抗
耐火材料磨具
热震性差。硅砖主要用于焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉等热工设备。粘土砖中含30％～46％氧化铝，它以耐火粘土为主要原料，耐火度1580～1770℃，抗热震性好，属于弱酸性耐火材料，对酸性炉渣有抗蚀性，用途广泛，是目前生产量最大的一类耐火材料。
中性耐火材料
高铝质制品中的是莫来石和刚玉，刚玉的含量随着氧化铝含量的增加而增高，含氧化铝95％以上的刚玉制品是一种用途较广的优质耐火材料。铬砖主要以为原料制成的，主晶相是。它对钢渣的耐蚀性好，但抗热震性差，高温荷重变形温度较低。用铬矿和镁砂按不同比例制成的抗热震性好，主要用作碱性平炉顶砖。
碳质制品是另一类中性耐火材料，根据含碳原料的成分和制品的矿物组成，分为碳砖、制品和碳化硅质制品三类。碳砖是用高品位的石油焦为原料，加焦油、作粘合剂，在1300℃隔绝空气条件下烧成。石墨制品(除天然石墨外)用碳质材料在电炉中经2500～2800℃石墨化处理制得。碳化硅制品则以碳化硅为原料，加粘土、氧化硅等粘结剂在1350～1400℃烧成。也可以将碳化硅加硅粉在电炉中氮气氛下制成氮化硅－碳化硅制品。
耐火材料磨具
碳质制品的热膨胀系数很低，导热性高，耐热震性能好，高温强度高。在高温下长期使用也不软化，不受任何酸碱的侵蚀，有良好的抗盐性能，也不受金属和熔渣的润湿，质轻，是优质的。缺点是在高温下易氧化，不宜在氧化气氛中使用。碳质制品广泛用于高温炉炉衬（炉底、炉缸、炉身下部等）、熔炼有色金属炉的衬里。石墨制品可以做反应槽和石油化工的高压釜内衬。碳化硅与石墨制品还可以制成熔炼铜同金和轻用的坩埚。
碱性耐火材料
以质制品为代表。它含80％～85％以上，以方镁石为主晶相。生产镁砖的主要原料有菱镁矿、镁砂由海水中提取的经高温煅烧而成）等。对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性。纯氧化镁的熔点高达2800℃,因此,镁砖的耐火度较粘土砖和硅砖都高。20世纪50年代中期以来，由于采用了吹氧转炉炼钢和采用碱性平炉炉顶，碱性耐火材料的产量逐渐增加，粘土砖和硅砖的生产则在减少。碱性耐火材料主要用于平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼以及一些高温热工设备。
氧化物材料
如氧化铝、氧化镧、、、氧化锆、氧化铀、氧化镁、氧化铈和氧化钍等熔点在2050～3050℃。
难熔化合物材料
如碳化物（碳化硅、、碳化钽等）、氮化物（、氮化硅等）、硼化物（、硼化钛、硼化铪等）、硅化物(等)和硫化物(硫化钍、等)。它们的熔点为2000～3887℃，其中最难熔的是碳化物。
高温复合材料
如、高温无机涂层和纤维增强陶瓷等。
应用
经常使用的特殊材料有AZS砖、、直接结合镁铬砖、、氮化硅结合碳化硅砖、氮化物、硅化物、硫化物、硼化物、碳化物等非氧化物耐火材料；氧化钙、氧化铬、氧化铝、氧化镁、氧化铍等耐火材料。经常使用的隔热
耐火材料磨具
耐火材料有硅藻土制品、制品、绝热板等。经常使用的不定形耐火材料有补、耐火捣打料、耐火浇注料、、耐火泥、耐火、耐火投射料、、轻质耐火浇注料、炮泥等。
性能
耐火材料的物理性能包括结构性能、热学性能、力学性能、使用性能和作业性能。
耐火材料的结构性能包括、体积密度、吸水率、透气度、气孔孔径分布等。
耐火材料的热学性能包括、热膨胀系数、比热、热容、导温系数、热发射率等。
耐火材料的力学性能包括耐压强度、抗拉强度、、抗扭强度、剪切强度、、耐磨性、蠕变性、粘结强度、弹性模量等。
耐火材料的使用性能包括耐火度、荷重软化温度、重烧线变化、抗热震性、、抗酸性、抗碱性、抗水化性、抗CO侵蚀性、导电性、等。
生产工艺
根据制品的致密程度和外形不同，有烧结法、熔铸法和熔融喷吹法等。烧结法是将部分原料预烧成熟料，破碎和筛分，再按一定配比与生料混合，经过成型、干燥和烧成。原料预烧的目的是将其中的水分、有机杂质、类分解的气体烧除，以减少制品的烧成收缩，保证制品外形尺寸的准确性。原料在破碎和研磨后还需要经过筛分，因为坯料由不同粒度的粉料进行，可以保证最紧密堆积而获得致密的坯体。
为了使各种生料和熟料的成分和颗粒均匀化，要进行混炼，同时加入结合剂，以增强坯料结合强度。如质坯料加入结合粘土，镁质坯料加入亚硫酸纸浆废液，硅质坯料加入石灰乳等。根据坯料含水量的多少，可以采用半干法成型(约含5％水分)，可塑法成型(约含15％水分)和注浆法成型（约含40％水分）。然后进行干燥和烧成。熔铸法是将原料经过配料混匀和细磨等工序，在高温熔化，直接浇铸，经冷却结晶、退火成为制品。如、刚玉砖和镁砖等。它们的坯体致密，机械强度高、大，抗渣性好，使用范围不断在扩大。熔融喷吹法是将配料熔化后，以高压空气或过热蒸汽进行喷吹，使之分散成纤维或的方法。制品主要用作轻质耐火、。此外，还可制成粉状或粒状不定形耐火材料，临用时以焦油、沥青、、、硫酸盐或氯化盐等结合剂胶结，不经成型和烧结而直接使用。
作业性
耐火材料的作业性包括稠度、塌落度、流动度、可塑性、粘结性、回弹性、凝结性、硬化性等。
常见耐火材料
经常使用的耐火材料有AZS砖、刚玉砖、、碳化硅砖、氮化硅结合碳化硅砖,氮化物、硅化物、硫化物、硼化物、碳化物等非氧化物耐火材料;氧化钙、氧化铬、氧化铝、氧化镁、氧化铍等耐火材料。
经常使用的隔热耐火材料有硅藻土制品、石棉制品、绝热板等。
经常使用的不定形耐火材料有补炉料、耐火捣打料、耐火浇注料、耐火可塑料、耐火泥、耐火喷补料、耐火投射料、耐火涂料、轻质耐火浇注料、炮泥等。
散状耐火材料
散状耐火材料(不定形耐火材料)：不定形耐火材料是由合理级配的粒状和粉状料与结合剂共同组成的不经成型和烧成而直接供使用的耐火材料。通常，对构成此种材料的粒状料称骨料，对粉状料称掺合料，对结合剂称胶结剂。这类材料无固定的外形，可制成浆状、泥膏状和松散状，因而也通称为散状耐火材料。用此种耐火材料可构成无接缝的整体构筑物，故还称为整体耐火材料。
不定形耐火材料的基本组成是粒状和粉状的耐火物料。依其使用要求，可由各种材质制成。为了使这些耐火物料结合为整体，除极少数特殊情况外，一般皆加入适当品种和数量的。为改进其或减少用水量，可加入少量适当增塑减水剂，为满足其他特殊要求，还可分别加入少量适当其他外加剂。
耐火材料专业介绍
镁基复合材料的性能及应用 罗文昌2013121532 摘要：镁基复合材料因其轻量化和高性能而成为当今高新技术领域中最富竞争力和最有希望采用的复合材料之一。本文将综述镁基复合材料的不同制备方法及其对复合材料组织、结构、性能的影响，并提出镁基复合材料的研究和发展方向。 关键词：镁基复合材料；基体镁合金；性能；应用；发展 1.引言 现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。复合材料是将两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。近年来，金属基复合材料在许多领域得到了应用。目前金属基复合材料的制备方法已有很多，并在铁基、镁基、铜基、铝基、钛基等金属基复合材料中取得了比较大的成功。镁基复合材料是继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料主要特点是密度低、比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温性、耐冲击性、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；此外，还具有电磁屏蔽和储氢特性等，是一类优秀的结构与功能材料，也是当今高新技术领域中最有希望采用的复合材料之一；在航空航天、军工产品制造、汽车以及电子封装等领域中具有巨大的应用前景。根据镁基复合材料的特点，结合原有的金属基复合材料的制备工艺，材料工作者尝试了多种新的适合制备镁基复合材料的方法与工艺，对研制、开发镁基复合材料起到了很好的促进作用。 2.镁基复合材料的组织与性能 相对于传统金属材料和铝基复合材料，有关镁基复合材料的组织与性能的研究目前虽然已经取得了一定的成果，但还不够全面深入，力学性能数据分散性也比较大，仍处于探索性研究阶段。材料工作者对镁基复合材料的耐磨性能和疲劳断裂机理进行了研究，并围绕镁基复合材料的力学性能及物理性能做了一些工作。力学性能主要集中于复合材料的拉伸与压缩性能，时效特性，以及低温与高温超塑性等方面；物理性能有阻尼性能和储氢性能等研究内容。储氢镁基复合材料一般采用球磨法制备。高能球磨后，颗粒活化，镁颗粒与增强相颗粒以及颗粒内部的大量相界、微观缺陷的存在是材料具有优异氢化性能的主要原因。通过机械合金化工艺可以制备出具有优良储氢性能的复合材料，典型体系：Mg—Mg2Ni，而且若在研磨过程中辅以某些有机添加剂对提高材料的储氢性能有很大帮助，但较高的脱氢温度以及相对较慢的吸放氢速度限制了镁基合金实际应用。另外非晶态镁基复合材料的优良性能更是引起了人们的普遍兴趣。在实际应用中，由于镁基复合材料过硬的性能，镁基复合材料在在各领域中被广泛应用。镁基复合材料组织特征为增强体分布在基体合金中，同时引入了大量的界面以及高密度位错缠结，其晶粒度较基体合金也小，无论是高密度位错引起的位错强化，还是细化晶粒的作用都将提高和改善复合材料的拉伸强度和刚度等力学性能。另外，挤压变形、固溶时效以及其它一些工艺的运用和调整都将有利于进一步提高镁基复合材料力学性能镁基复合材料具有良好的阻尼性能(减振性能)、电磁屏蔽性能和储氢特性，是良好的功能材料，还具备密度小、贮氢容量高、资源丰富等优点。镁基贮氢复合材料正被日益重视，主要制备方法有多元合金化、机械合金化、多元复合等。 3.镁基复合材料的应用 从近期发展看，镁基复合材料并没有大规模地应用于常规结构件中，但它们在航空航天和汽车电子工业中的众多构件方面有着广阔的应用前景。 美国TEXTRON、DOW 化学公司用SiC ／Mg复合材料制造螺旋桨、导弹尾翼、内部加强的汽
摘要 碳纳米管、石墨烯具有优异的力学性能(高强度和高模量)，是镁基复合材料理想的增强体。如何改善碳纳米管、石墨烯在镁基体中的分散性和提高界面结合强度，是制备高性能纳米碳/镁基复合材料的关键。采用粉末冶金和热挤压工艺制备了石墨烯（GNS）增强的AZ91镁基复合材料，测试了复合材料的力学性能，并用扫描电镜和能谱仪对复合材料断口形貌进行了观察和分析。采用粉末冶金+热挤压工艺+T4固溶处理分别制备了CNTs，MgO@CNTs(包覆MgO碳纳米管)、GNPs (石墨烯纳米片)和RGO(还原石墨烯)增强的AZ91镁基复合材料，研究了碳纳米管表面包覆MGO工艺，纳米碳材料(CNTs，Mg O@CNTs，GNPs和GO)含量对AZ91合金的组织和力学性能的影响。结果表明氧化石墨烯增强AZ91镁基复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分别为225MPa，8%和70HV，比AZ91镁合金基体的分别提高了39.7%，35.4%和31.8%；而以石墨烯纳米片为增强相时复合材料的屈服强度、伸长率和显微硬度分别为192MPa，7％和60HV，比基体的仅提高了18.7%，9.9%和13.5%；通过以上两组实验对比，氧化石墨烯增强镁基复合材料无论在屈服强度抗拉强度，伸长率以及硬度上都是最好的。 关键词：碳纳米管、石墨烯纳米片、氧化石墨烯、AZ91镁合金
绪论 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以 sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种 只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又 叫做单原子层石墨。因为具有十分良好的强 度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理 学、材料学、电子信息、计算机、航空航天 等领域都得到了长足的发展，作为目前发现 的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一 种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”， 是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯 将“彻底改变21世纪”。 镁呈银白色，熔点649℃，质轻，密度为 1.74g／cm3，约为铜的1/4、铝的2／3；其化 学活性强，与氧的亲合力大，常用做还原剂。 粉状或细条状的镁，在空气中很易燃烧，燃烧 时发出眩目的白光。但极易溶解于有机和无机 酸中。镁能直接与氮、硫和卤素等化合。金属 镁无磁性，且有良好的热消散性。质软，熔点 较低。镁应用相当广泛，比如镁是燃烧弹和 照明弹不能缺少的组成物；镁粉是节日烟花必 需的原料。 目前，镁基复合材料大都主要是以镁化合物、铸镁或者镁合金为基体，以SiC颗粒或晶须、Al2O3颗粒或纤维、碳（石墨）纤维、镁合金、Al18B4O33颗粒或晶须、镁化合物等为增强相。 石墨烯(Graphene,GN)，作为纳米碳材料的“明星”成员，它们具有极高的强度和韧性，其抗拉强度都可达到钢的100倍以上(大于50GPa)，弹性模量可达到1TPa以上，远远超过纳米Si C的强度和弹性模量(420-450GPa)，是迄今为止，强度和模量最高的材料之一，它们超强的力学性能可以极大地改善复合材料强度和韧性。此外,碳纳米管和石墨烯还具有超强的高温稳定性(在无氧3000℃条件下可保持很好的结构稳定性)和优异的导电和导热性能，超强的高温稳定性使它们非常有利于作为金属基复合材料的增强体。镁合金具有热稳定性高、导热性好、电磁屏蔽能力强和阻尼性能好等优点，已被广泛应用于移动电话、电脑、摄像机等电子产品中。在航空、航天方面，镁合金因密度小，比强度高可有效地减轻航
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 镁基复合材料的制备 镁及镁合金虽具有密度低、比强度大、比刚度高和抗冲击性强等诸多优点。但是也有一些固有缺点，如硬度、刚度、耐磨性、燃点较低、不是一种良好的结构材料，使其应用受到相当大的制约。若向镁基体中添加陶瓷颗粒或碳纤维制成复合材料，则可以在很大程度上改善镁的力学性能，提高耐热和抗蠕变性能，降低热膨胀系数等。可作为复合材料增强相的颗粒有：氧化物、碳化物、氮化物、陶瓷、石墨和碳纤维等。制备镁基复合材料的工艺主要是：铸造法、粉末冶金法、喷射沉积法。铸造法 铸造法是制备镁合金复合材料的基本工艺，可分为搅拌混合法、压力浸渗法、无压浸渗法和真空渗法等。 搅拌铸造法(Stiring Casting) 此法是利用高速旋转搅拌器浆叶搅动金属熔体，使其剧烈流动，形成以搅拌旋转轴为中心的漩涡，将增强颗粒加入漩涡中，依靠漩涡负压抽吸作用使颗粒进入熔体中，经过一段时间搅拌，颗粒便均匀分布于熔体内。此法简便，成本低，可以制备含有Sic、Al2O3、SiO2、云母或石墨等增强相的镁基复化材料。不过也有一些难以克服的缺点：在搅拌过程中会混入气体与夹杂物，增强相会偏析与固结，组织粗大，基体与增强相之间会发生有害的界面反应，增强相体积分数也受到一定限制，产品性能低，性价比无明显优势。用此法生产镁基复合材料时应采取严密的安全措施。 液态浸渗法(Liquid infiltration process) 用此法制备镁基复合材料时，须先将增强材料与黏接剂混合制成预制坯，用惰性气体或机械设备作用压力媒体将镁熔体压入预制件间隙中，凝固后即成为复合材料，按具体工艺不同又可分为压力浸渗法、无压、浸渗法和真空浸渗
镁系储氢合金综述 08材控薛凯琳 摘要：镁与镁基合金具有储氢量大，质量小，资源丰富，价格低廉等优点，受到人们的广泛关注。本文介绍了镁系储氢合金的工艺、性能、应用及发展。 关键词：储氢材料，镁基合金，储氢性能，材料复合，镁基化合物 前言氢能是最清洁且储量丰富的能源，储氢材料的发展及应用对环境保护和能源开发有着重要的意义。镁基储氢合金是最有潜力的金属氢化物储氢材料，近年来已引起世界各国的广泛关注。镁及其合金作为储氢材料,具有以下几个特点：(1)储氢容量很高,MgH2的含氢量达到7.6(wt)% ,而Mg2NiH4的含氢量也达到3.6(wt)%；(2)镁是地壳中含量为第六位的金属元素，价格低廉，资源丰富；(3)吸放氢平台好；(4)无污这些缺点严重阻碍了镁染。但镁及其合金作为储氢材料也存在三个缺点：(1)吸放氢速度较慢,反应动力学性能差；(2)氢化物较稳定，释氢需要较高的温度；(3)镁及其合金的表面容易形成一层致密的氧化膜。以上基储氢合金的实用化进程。近年来，镁基复合储氢材料的研究取得了明显突破，本文简要介绍镁基复合储氢材料吸放氢性能的改善。 1 镁基储氢材料体系 最早开始研究镁基储氢材料的是美国布鲁克-海文国家实验室, Reilly和Wiswall在1968年首先以镁和镍混合熔炼而成Mg2Ni合金。后来随着机械合金化制备方法的出现，揭开了大规模研究镁基储氢材料的序幕。据不完全统计，到目前为止人们研究了近1 000多种重要的镁基储氢材料，几乎包括了元素周期表中所有稳定金属元素和一些放射性元素与镁组成的储氢材料。通过研究，发现这些镁基储氢材料可以分为单质镁储氢材料、镁基储氢合金和镁基储氢复合材料三大类。 1.1 单质镁储氢材料 镁可直接与氢反应，在300～400℃和较高的氢压下，反应生成MgH2： Mg+H2=MgH2 , △H=-74.6 kJ/mol 。 MgH2理论氢含量可达7.6%，具有金红石结构，性能较稳定，在287℃时的分解压为101. 3 kPa。因为纯镁的吸放氢反应动力学性能差，吸放氢温度高，所以纯镁很少被用来储存氢气。随着材料合成手段的不断发展，特别是机械合金化制备工艺的日益成熟，研究人员对单质镁储氢材料进行了新的研究。 1.2 镁基储氢合金 到目前为止，人们已对300多种重要的镁基储氢合金材料进行了研究。其中最具有代表性的是Mg-Ni系储氢合金，许多研究者围绕这一系列合金开展了大量的研究工作。在制备方法上，主要研究了熔炼法、粉末烧结法、扩散法、机械合金化法和氢化燃烧合成法等，并且对镁基储氢合金采用表面处理和热处理来进一步提高其动力学性能和循环寿命。 1.2.1 Mg-Ni系储氢合金 在Mg与Ni形成的合金体系中存在2种金属间化合物Mg2Ni和MgNi2，其中MgNi2不与氢气发生反应。Mg2Ni在一定条件下(1.4MPa、约200℃)与氢反应生成Mg2NiH4，反应方程式如下： Mg2Ni+2H2=Mg2NiH4，△H=-64.5 kJ/mol 。 反应生成的氢化物中氢含量为3.6%，其离解压为0.1MPa、离解温度为253℃。Mg2Ni理论电化学容量为999 mA·h·g- 1，但其形成的氢化物在室温下较稳定而不易脱氢。且与强碱性电解液(6 mol·L-1的KOH)接触后，合金表面易形成Mg(OH)2，阻止了电解液与合金表面的氢交换、氢转移和氢向合金体内扩散，致使Mg2Ni的实际电化学容量、循环寿命差。 1.2.2 镁与其它元素组成的镁基储氢合金 除了Mg-Ni系储氢合金以外，研究者们研究得比较多的还有Mg-Al系以及Mg-La系储氢合
镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.8g/cm3镁合金左右），强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中的最轻的金属，高强度、高刚性。 镁合金的应用 1 镁合金材料在汽车工业中的应用和发展 环境污染与资源紧张的日益加剧要求汽车满足轻量化与环保的要求，因此使用密度较小的镁合金已成为汽车材料未来发展的主要方向之一。汽车用镁正以年均20% 的增长速度迅速发展，世界各大汽车公司都把已采用镁合金零件的数量作为自身产品技术领先的标志。 目前，汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。综合部分厂家的使用情况，目前镁合金材料主要用来制造的汽车零部件，见表1 所示。 随着材料加工技术与材料性能的不断优化，镁合金在汽车上的应用范围也将逐渐扩大：比如，虽然镁制底盘系统结构件刚刚开始应用，
但北美汽车业界估计未来2 年内镁合金在底盘结构方面的应用将增加10 倍以上，而第42 届大众公司股东年会上，大众展出了世界上最经济的小车1L 车，车身空间框架均采用镁合金，比铝车身轻13kg，燃油泵壳、变速器壳、座椅框架等也是用镁合金制成，代表了未来汽车用镁合金的发展方向。 表1 镁合金在汽车零部件上的应用 部 件系 统 零部件名称 车内构件仪表盘、座椅架、座位升降器、操纵台架、气囊外罩、转向盘、 锁合装置罩、转向柱、转向柱支架、收音机壳、小工具箱门、车窗马达罩、刹车与离合器踏板托架、气动托架踏板等车 体构 件 门框、尾板、车顶框、车顶板、IP横梁等 发动机及传动系阀盖、凸轮盖、四轮驱动变速箱体、手动换挡变速器、离合器 外壳活塞、进气管、机油盘、交流电机支架、变速器壳体、齿轮箱壳体、油过滤器接头、马达罩盖、汽缸头盖、分配盘支架、油泵壳、油箱、滤油气支架、左侧半曲轴箱、右侧半曲轴箱、空机罩、
颗粒增强镁基复合材料 颗粒增强金属基复合材料由于制备工艺简单、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点，已经成为金属基复合材料领域最重要的研究方向。颗粒增强金属基复合材料的主要基体有铝、镁钛、铜和铁等，其中铝基复合材料发展最快；而镁的密度更低，有更高的比强度、比刚度，而且具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能，镁基复合材料正成为继铝基之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料。镁基复合材料因其密度小，且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能，受到航空航天、汽车、机械及电子等高技术领域的重视。颗粒增强镁基复合材料与连续纤维增强、非连续(短纤维、晶须等)纤维增强镁基复合材料相比，具有力学性能呈各向同性、制备工艺简单、增强体价格低廉、易成型、易机械加工等特点，是目前最有可能实现低成本、规模化商业生产的镁基复合材料。 一、制备方法 1、粉末冶金法 粉末冶金法是把微细纯净的镁合金粉末和增颗粒均匀混合后在模具中冷压，然后在真空中将合体加热至合金两相区进行热压，最后加工成型得复合材料的方法。 粉末冶金的特点：可控制增颗粒的体积分数，增强体在基体中分布均匀；制备温度较低，一般不会发生过量的界面反应。该法工艺设备较复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。 2、熔体浸渗法 熔体浸渗法包括压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗。 压力浸渗是先将增强颗粒做成预制件，加入液态镁合金后加压使熔融的镁合金浸渗到预制件中，制成复合材料采用高压浸渗，可克服增强颗粒与基体的不润湿情况，气孔、疏松等铸造缺陷也可以得到很好的弥补。 无压浸渗是指熔的镁合金在惰性气体的保护下，不施加任何压力对增强颗粒预制件进行浸渗。该工艺设备简单、成本低，但预制件的制备费用较高，因此不利于大规模生产。增强颗粒与基体的润湿性是无压浸渗技术的关键。 负压浸渗是通过预制件造成真空的负压环境使熔融的镁合金渗入到预制件
镁系储氢合金综述 摘要：镁与镁基合金具有储氢量大，质量小，资源丰富，价格低廉等优点，受到人们的广泛关注。本文介绍了镁系储氢合金的工艺、性能、应用及发展。 关键词：储氢材料，镁基合金，储氢性能，材料复合，镁基化合物 前言氢能是最清洁且储量丰富的能源，储氢材料的发展及应用对环境保护和能源开发有着重要的意义。镁基储氢合金是最有潜力的金属氢化物储氢材料，近年来已引起世界各国的广泛关注。镁及其合金作为储氢材料,具有以下几个特点：(1)储氢容量很高,MgH2的含氢量达到7.6(wt)% ,而Mg2NiH4的含氢量也达到3.6(wt)%；(2)镁是地壳中含量为第六位的金属元素，价格低廉，资源丰富；(3)吸放氢平台好；(4)无污这些缺点严重阻碍了镁染。但镁及其合金作为储氢材料也存在三个缺点：(1)吸放氢速度较慢,反应动力学性能差；(2)氢化物较稳定，释氢需要较高的温度；(3)镁及其合金的表面容易形成一层致密的氧化膜。以上基储氢合金的实用化进程。近年来，镁基复合储氢材料的研究取得了明显突破，本文简要介绍镁基复合储氢材料吸放氢性能的改善。 1 镁基储氢材料体系 最早开始研究镁基储氢材料的是美国布鲁克-海文国家实验室, Reilly和Wiswall在1968年首先以镁和镍混合熔炼而成Mg2Ni合金。后来随着机械合金化制备方法的出现，揭开了大规模研究镁基储氢材料的序幕。据不完全统计，到目前为止人们研究了近1 000多种重要的镁基储氢材料，几乎包括了元素周期表中所有稳定金属元素和一些放射性元素与镁组成的储氢材料。通过研究，发现这些镁基储氢材料可以分为单质镁储氢材料、镁基储氢合金和镁基储氢复合材料三大类。 1.1 单质镁储氢材料 镁可直接与氢反应，在300～400℃和较高的氢压下，反应生成MgH2： Mg+H2=MgH2 , △H=-74.6 kJ/mol 。 MgH2理论氢含量可达7.6%，具有金红石结构，性能较稳定，在287℃时的分解压为101. 3 kPa。因为纯镁的吸放氢反应动力学性能差，吸放氢温度高，所以纯镁很少被用来储存氢气。随着材料合成手段的不断发展，特别是机械合金化制备工艺的日益成熟，研究人员对单质镁储氢材料进行了新的研究。 1.2 镁基储氢合金 到目前为止，人们已对300多种重要的镁基储氢合金材料进行了研究。其中最具有代表性的是Mg-Ni系储氢合金，许多研究者围绕这一系列合金开展了大量的研究工作。在制备方法上，主要研究了熔炼法、粉末烧结法、扩散法、机械合金化法和氢化燃烧合成法等，并且对镁基储氢合金采用表面处理和热处理来进一步提高其动力学性能和循环寿命。 1.2.1 Mg-Ni系储氢合金 在Mg与Ni形成的合金体系中存在2种金属间化合物Mg2Ni和MgNi2，其中MgNi2不与氢气发生反应。Mg2Ni在一定条件下(1.4MPa、约200℃)与氢反应生成Mg2NiH4，反应方程式如下： Mg2Ni+2H2=Mg2NiH4，△H=-64.5 kJ/mol 。 反应生成的氢化物中氢含量为3.6%，其离解压为0.1MPa、离解温度为253℃。Mg2Ni理论电化学容量为999 mA·h·g- 1，但其形成的氢化物在室温下较稳定而不易脱氢。且与强碱性电解液(6 mol·L-1的KOH)接触后，合金表面易形成Mg(OH)2，阻止了电解液与合金表面的氢交换、氢转移和氢向合金体内扩散，致使Mg2Ni的实际电化学容量、循环寿命差。 1.2.2 镁与其它元素组成的镁基储氢合金 除了Mg-Ni系储氢合金以外，研究者们研究得比较多的还有Mg-Al系以及Mg-La系储氢合
镁基复合材料-项目简析
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商丹循环工业经济园区 年产5万吨镁基复合材料 项目简析 1、项目名称： 商丹园区年产5万吨镁基复合材料项目 2、产业政策： 复合材料是国家发改委大力倡导和积极支持的高科技产品，项目属于《产业结构调整指导目录》（2011）鼓励类项目。 3、产品及用途： 金属复合材料属于复合材料的一类，是一门相对较新的材料学科，仅有40余年的发展历史。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料难以满足对材料的多方面性能要求，复合材料因此被积极研发。 金属复合材料是指利用复合技术将多种性能不同的金属、非金属在界面上实现冶金结合而形成的材料，能够极大地改善单一金属材料的热膨胀性、强度、断裂韧性、冲击韧性、耐磨损性、电性能、磁性能等诸多性能。按基体类型分，主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟。 镁基复合材料主要以镁铝合金为基体，以陶瓷颗粒、纤维或
晶须作为增强体。制成的镁基复合材料，集超轻、高比刚度、高比强度于一身，该类材料比铝基复合材料更轻，具有更高的比强度和比刚度，成为航空航天等领域的优选材料。 4、市场分析： 镁基复合材料正成为继铝基之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料，因其密度小(1.74 g／cm3)，仅为铝的2／3，且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、良好的阻尼性能和电磁屏蔽等性能和耐高温性能，在航天、航空、电子、汽车、轮船、先进武器等方面均具有广泛的应用前景。 近年来，镁基复合材料下游行业需求增长带来镁基复合材料市场需求的扩张，行业销售增长明显，产品供不应求。在国家“十二五”规划和产业结构调整的大方针下，镁基复合材料面临巨大的市场投资机遇，行业有望迎来新的发展契机。 5、生产工艺： 镁基复合材料的增强体主要有长纤维、短纤维、颗粒和晶须等，其中颗粒增强金属基复合材料制备工艺简单、成本较低微观组织均匀、材料性能各向同性且可以采用传统的金属加工工艺进行二次加工等优点，成为金属基复合材料领域最重要的研究方向，正在向工业规模化生产和应用发展。 5.1常用的基体镁合金 镁基复合材料要求基体组织细小、均匀，基体合金使用性能良好。根据镁基复合材料的使用性能，对侧重铸造性能的镁基复
镁、铝及合金 1.以下说法正确的是( ) A.Mg在CO2中的燃烧是置换反应 B.将Mg(OH)2沉淀转化为MgCl2,是镁原子失电子转化为Mg2+ C.电解得到镁的过程可以写出离子反应方程式,但不是氧化还原反应 D.Mg在N2中燃烧的反应中,N2既是氧化剂又是还原剂 【解析】选A。Mg在CO2中燃烧为置换反应,A正确;将Mg(OH)2沉淀转化为MgCl2的过程是复分解反应,B错误;电解得到镁的过程有化合价的变化,是氧化还原反应,C错误;Mg在N2中燃烧的反应中,N2作氧化剂,镁是还原剂,D错误。 2.实验室以空气和镁为原料制备Mg3N2的装置如图所示(夹持和加热装置略去): 下列说法正确的是( ) A.装置 A、B 中可依次加入浓硫酸、NaOH 溶液 B.若去掉装置C,对产品纯度无影响 C.实验时应先加热装置C,通入一段时间空气后再加热D D.装置E 中碱石灰的作用是吸收尾气 【解析】选C。要制备氮化镁,需要除去空气中的氧气、CO2和水蒸气,则装置A、B中可依次加入NaOH溶液、浓硫酸,A错误;若去掉装置C ,镁与氧气反应生成氧化镁,对产品纯度有影响,B错误;实验时,应先加热装置C,通入一段时间空气除去氧气,然后再加热装置D , C正确;装置E中碱石灰的作用是吸收空气中的水蒸气和二氧化碳,避免进入D中干扰实验,D错误。 【加固训练】
1.新型镁铝合金(Mg17Al12)有储氢性能,它一定条件下完全吸氢的反应为 Mg17Al12+17H217MgH2+12Al,得到的混合物Y(17MgH2+12Al)能与酸反应释放出大量氢气。下列说法正确的是( ) A.该合金应在氮气保护下,将一定比例的Mg、Al单质熔炼而成 B.该合金中含有离子键,铝元素呈正价 C.1 mol Mg17Al12完全吸氢后得到的Y与盐酸完全反应放出H2在标准状况下的体积为1 164.8 L D.合金的熔点高于金属镁、金属铝的熔点 【解析】选C。镁和氮气反应,A错误;合金是金属的混合物,不存在离子键,B错误;1 mol Mg17Al12相当于17 mol镁和12 mol铝,吸收了17 mol的氢气,1 mol Mg17Al12和盐酸反应生成的氢气为17 mol+18 mol=35 mol,总共产生的氢气为35 mol+17 mol=52 mol,其标准状况下的体积为52 mol×22.4L·mol-1=1 164.8 L,C 正确;合金的熔点低于各成分金属的熔点,D错误。 2.等量镁铝合金粉末分别与下列四种过量物质充分反应,放出氢气最多的是( ) A.NaOH溶液 B.稀硫酸 C.蔗糖溶液 D.NaCl溶液 【解析】选B。Mg、Al与蔗糖溶液、NaCl溶液不反应,只有Al与NaOH溶液反应,Mg、Al与稀硫酸均发生反应放出氢气。 1.世界上60%的镁是从海水中提取的,其提取步骤如下:①把贝壳制成生石灰;②向海水中加入生石灰,过滤,洗涤沉淀物;③将沉淀物与盐酸反应,结晶、过滤;④在氯化氢热气流中加热晶体;⑤电解上述所得盐(熔融条件下)。下列说法正确的是 ( )
镁基复合材料的增强相设计及组织性能评价由于密排六方的晶体结构,镁合金在变形中会形成强烈织构,这极大限制了变形镁合金的室温成形能力。颗粒增强镁基复合材料是镁合金的“强化版”,近些年来备受关注。更为重要的是,增强颗粒可以弱化镁合金的变形织构,进而改善其成形能力。本文首先对比了不同耦合外场下TiB2增强颗粒的分散行为,研究了增强颗粒的分散性对TiB2/AZ31复合材料板材组织、织构及力学性能的影响;另外,探索通过Y合金化的方法来拓展Al-Ti-B自蔓延体系在无铝镁合金(Mg-6Zn)中的应用；最后,研究了Al元素的添加对Mg-Zn-RE合金板材组织性能的影响。 主要研究结论如下：在TiB2/AZ31复合材料制备过程中,引入声磁耦合场(电磁场+超声场),通过电磁场的控流作用间接扩大了超声场的作用范围,从而有效减小增强颗粒团簇尺寸并提高增强颗粒的利用率。相比于旋转磁场和行波磁场,螺旋电磁场与超声场耦合的作用效果最明显。组织分析表明,AZ31镁合金板材中的剪切带是由尺寸较为粗大的动态再结晶(Dynamic Rerystallization, DRX)晶粒组成。由于在轧制过程中TiB2颗粒的“颗粒刺激形核”(Particle Stimulate Nucleation, PSN)效应,TiB2/AZ31复合材料中组成剪切带的DRX晶粒明显得到细化。 另外,随TiB2颗粒分散性的提高,组织中剪切带和孪晶的数量增加,织构也得到不断的弱化,且TiB2/AZ31复合材料的强度和延伸率均得到了改善。Y与 Al-Ti-B自蔓延(SHS)产物中的Al反应生成Al2Y、Al11Y3相,减小了TiB2颗粒团簇的尺寸并细化复合材料基体组织。在轧制过程中,和TiB2颗粒一样,Al2Y和Al11Y3可以刺激DRX形核,这导致最终轧制组织的细化并形成弱的双峰织构的形成。另外,Y的添加使得TiB2/Mg-6Zn复合材料板材的强度和塑性同时提高。 重要的是,添加Y起到了消耗残余Al的作用,解决了Al-Ti-B体系在无Al 镁合金中无法应用的难题。Al的添加显著改变了Mg-5Gd-2.5Y-2Zn合金的凝固析出行为,使得W相(Mg3Zn3(Y,Gd)2)含量急剧减少,并形成两种新的有益相 (Al11(Y, Gd)3和A12(Y, Gd))。铸态组织的改变显著提高了Mg-5Gd-2.5Y-2Zn 合金的轧制成形能力和伸长率。尤其是,含1.0wt.%Al的Mg-5Gd-2.5Y-2Zn板材的伸长率达到了16.4%,约为原合金的4倍。 Al的合金化对含较高稀土含量的Mg-8Gd-5Y-2Zn合金板材组织性能的影响