摘要：镁合金具有高比强度、比刚度和可加工性，被视为21世纪最有前途的绿色材料。然而，镁合金的弹性模量、强度、塑性和延展性较低，加上抗蠕变和耐磨性不足，限制了其在结构上的应用。近日，吉林大学沈平教授带领团队在《Ceramics International 》发表了题为

镁合金具有高比强度、比刚度和可加工性，被视为21世纪最有前途的绿色材料。然而，镁合金的弹性模量、强度、塑性和延展性较低，加上抗蠕变和耐磨性不足，限制了其在结构上的应用。近日，吉林大学沈平教授带领团队在《Ceramics International 》发表了题为《Fabrication and characterization of SiC-reinforced magnesium-matrix composites with honeycomb structures and anisotropic properties》的研究，他们提出了一种将数字光处理 (DLP) 与无压渗透相结合来制造 SiC 增强镁基复合材料的新方法。

原文链接：https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2245801
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研究内容

本研究提出了一种将DLP光固化3D打印与无压渗透相结合的制备SiC增强镁基复合材料的新方法。无压渗透依靠毛细管力（润湿性），与压力渗透相比，是一种更简单、更经济的方法。为了增强与熔融镁的润湿性，将SiC粉末预烧结在其表面形成SiO₂薄膜，从而简化后续的DLP打印，并能够制备形状复杂的SiC和SiC-Al₂O₃陶瓷预制件。该方法通过对镁合金进行无压渗透，实现了SiC/Mg和SiC-Al₂O₃/Mg复合材料的高效近净成型，克服了传统技术的局限性，提高了材料性能。此外，本研究还使用有限元（FE）模拟研究了复合材料在压缩作用下的裂纹萌生和扩展行为。

以下是文章的研究方法及数据：

图1，金属陶瓷复合材料制备工艺流程图。箭头表示制备步骤的顺序。(i)中的数字1–5分别代表SiC:Al₂O₃比例为1:0、3:1、2:1、1:1和1:2的样品。如(j)所示，纯Al₂O₃样品由于与熔融镁合金的润湿性差，难以渗透。相反，SiC:Al₂O₃比例为2:1的部件(k)完全渗透并保持了清晰的形状，表明已实现近净成形制造。

△图2，3D打印SiC体的热分析和烧结行为：（a）TG、DTG和DSC曲线；（b）脱脂曲线；（c）烧结曲线。

△图3，陶瓷浆料的粘度与剪切速率的关系。浆料中的陶瓷体积分数为48％。

△图4， 固化深度分析：(a)曝光强度为10mW/cm 2时，固化深度随曝光时间的变化；(b)对(a)中的数据进行线性拟合，显示固化深度( Dp )、曝光能量( Ep )和SiC含量之间的关系；(c)曝光时间为2秒时，固化深度随曝光强度的变化；(d)对(c)中的数据进行线性拟合，显示Dp 、 Ep和SiC含量之间的关系。

△图 5.SiC:Al₂O₃比例为 3:1 的蜂窝结构的制造：（a）STL 模型；（b）3D 打印生坯样品；（c）脱脂样品；（d）烧结样品；（e-f）SEM 图像；（h）EDS 映射。

△图6，SiC:Al₂O₃比例分别为 3:1、1:1 和 1:3 的烧结样品的 XRD 图案。

△图7，具有不同SiC：Al₂O₃比率的渗透复合材料的结构特征：（a 1）-（a 6）横截面的宏观图像；（d 1）-（d 6）纵向截面的宏观图像；（b 1）-（b 6）和（e 1）-（e 6）低倍光学显微镜图像；（c 1）-（c 6）和（f 1）-（f 6）高倍光学显微镜图像。 SiC：Al₂O₃比例如下：(a 1 )–(f 1 ) 1:0（纯 SiC）、(a 2 )–(f 2 ) 3:1、(a 3 )–(f 3 ) 2:1、(a 4 )–(f 4 ) 1:1、(a 5 )–(f 5 ) 1:2 和 (a 6 )–(f 6 ) 1:3。

△图8，SiC：Al₂O₃比例为 2：1 的复合结构的 EDS 映射：（a）低倍放大；（b）高倍放大。

△图 9 .不同SiC:Al₂O₃比例复合材料在不同方向上的压缩行为：(a)方向I；(b)方向II；(c)方向III；(d)压缩强度；(e)比断裂能。

△图 10 润湿行为分析：（a）750°C 时熔融 Mg 与 Al₂O₃、SiC 和 SiO 2之间的接触角随时间的变化。仅考虑前 30 秒，以尽量减少 Mg 蒸发对接触角测量的影响。（b）根据初始接触角和 30 秒时的值，计算熔融 Mg 与不同体积分数的 SiC/Al₂O₃陶瓷之间的等效接触角。（c）估算熔融 Mg 与不同体积分数的SiC/Al₂O₃陶瓷之间的毛细管力。

△图11.SiC：Al₂O₃比例为 2：1 的复合材料在方向 I、II 和 III 上测试的压缩断裂形貌的 SEM 图像。

△图12.SiC:Al₂O₃比例为2:1的复合材料沿方向I、II和III压缩的有限元模拟结果：(a 1 )–(f 1 )、(a 3 )–(f 3 )和(a 5 )–(h 5 )等效应变图；(a 2 )–(f 2 )、(a 4 )–(f 4 )和(a 6 )–(h 6 )应力云。图中标记的时间对应于施加载荷的时刻。

结论

本研究提出了一种利用数字光处理 (DLP) 3D 打印和无压渗透技术制备 SiC 增强镁基复合材料的新方法。通过精确控制 SiC 预氧化及其与Al₂O₃的比例，可以生产出具有优化结构完整性和抗压性能的近净成形蜂窝部件。SiC 预氧化显着提高了熔融镁合金的润湿性，而Al₂O₃的添加有效减少了 SiC 颗粒在陶瓷浆料中的沉积，提高了浆料稳定性，并降低了紫外光固化的难度。SiC 含量较高的复合材料表现出相对较高的抗压强度 (615 MPa) 和比断裂能 (1.02 J/(g·cm³))，但富 SiC 复合材料 (纯 SiC 和 SiC：Al₂O₃ = 3：1) 的结构完整性因渗透和与熔融镁的激烈反应而受到损害。

最后，通过模拟和断裂分析相结合的方法，阐明了陶瓷六角柱取向与不同载荷条件下压缩行为之间的关系，表明方向I（载荷方向平行于蜂窝状单元壁）上的失效模式以剪切失效模式为主，方向II和III（载荷方向垂直于蜂窝状单元壁）上的失效模式以剪切和弯曲扭转混合模式为主。

来源：奇遇科技ADTE