液态镁与开孔泡沫碳在互穿相复合材料中的结合作用

Mg-Cof复合材料由于具有良好的耐蚀性和生物相容性，在生物材料领域有较大潜在应用价值，近年来引起了研究人员极大兴趣。对于涉及液体辅助工序制备的镁基复合材料，为了获得最优的材料加工条件及参数，必须充分了解各组分之间的润湿和渗透行为。为此，需要测量扁平或压实的增强材料和镁液滴在不同温度和时间下的接触角。金属基复合材料由于增强体颗粒的形状不规则、表面粗糙，容易在研磨或储存过程中发生团聚和导致其他元素富集，材料的润湿性通常较差。开孔泡沫碳增强金属基复合材料中的液态金属组分可通过室壁上的窗口慢慢进入填充泡沫腔室，通过调节压力防止破坏多孔结构;泡沫碳(Cof)可有效避免增强相偏析，提高材料刚度和耐磨性。而目前关于液态镁和开孔泡沫碳之间的相互作用以及成键的影响因素还鲜有研究。

近日，来自波兰西里西亚工业大学的Marcin博士等人采用静滴法结合毛细管净化技术，在不同工艺条件(不同气氛)下，研究了液态镁和开孔泡沫碳在700℃高温下的相互作用。结果表明，由于Mg-Cof体系的不润湿，未施加外部压力时，熔融镁并不能渗透进泡沫碳预制块中;Mg/Cof接触角约为135°，与相关文献报道一致，印证了熔融镁对泡沫碳预制块的有效无压渗透存在问题;由于泡沫碳所吸收氧的反应扩散，在Mg/Cof之间形成了约1 μm厚的MgO膜，表明Mg/Cof键合的氧化属性。通过施加合适的外部压力可以改善液态镁与泡沫碳之间润湿性差的问题。

系统研究了熔融镁和泡沫碳分别在熔剂、氩气保护下的相互作用，结果分别如图1、图2所示。在熔剂保护下，泡沫碳发生部分分解，镁基体约有1 mm左右被泡沫碳强化，熔融镁几乎没有渗透，仅由于金属自身重力与泡沫碳稍有接触;在氩气保护下的试验结果与熔剂环境相似，组分之间接触部分厚度小于1 mm，但泡沫碳与镁之间结合的部分未发生分解且结合良好。

图1 (a)熔剂保护下的Mg/Cof复合材料，(b)样品截面，(c)Cof和镁接触部分显微组织图

图2 (a)氩气保护下的Mg/Cof复合材料，(b)样品截面，(c)Cof和镁接触部分显微组织图

重点研究了在高真空环境下，利用静滴法加毛细管净化时镁液滴与泡沫碳之间的相互作用。在700 ℃的高真空环境下接触300 s后，镁液滴仍未渗透泡沫碳(见图3);利用石墨毛细管持续推挤镁液滴30 s，液滴仍然无法渗透，并部分破坏了泡沫碳的结构(见图4)。待液滴凝固后，将样品分成两部分，一部分代表镁液滴未浸润泡沫碳，另一部分则由镁和泡沫碳组成。对未浸润部分进行SEM、EDS表征，可观察到规则的镁晶体和氧化层裂纹，原有的Mg/Cof接触变成了Mg/MgO/Cof接触(图5)。

图3 (a)高真空下镁液滴和泡沫碳，(b)接触60s，(c)接触300s

图4 (a)利用石墨毛细管推挤镁液滴进入泡沫碳，(b)和(c)推挤后提起毛细管

图5 (a)Mg/Cof样品扫描图，(b)Mg基体WDS能谱，(c)Mg，(d)O，(e)C元素分布

提出了一种开孔泡沫碳和液态镁之间的键合结构模型，如图6和图7所示。在微观尺度上，液态金属与泡沫碳表面的接触诱导了MgO膜在界面处形成，这是由于镁与Cof组分吸收的残余氧发生了反应，并导致扩散到渗透泡沫中的氧浓度降低。该模型还预测了两种结构效应：一是在液态金属前部形成了富集氧的纳米区，这可能是由于镁自身极易氧化或气体保护环境有所缺陷所致;二是由高温扩散引起的C在镁内富集，这可能在Mg-C复合材料的各种处理工序中都会发生。

图 6 开孔泡沫碳与液态 Mg 之间相互作用和键合的示意图

图 7 (a) 由反应扩散引起的发生在液态 Mg 和玻璃碳界面上的微结构效应示意图

综上所述，本研究探索了液态镁和泡沫碳在不同气氛下的相互作用，发现由于Mg-C润湿性差，液态镁在泡沫碳上不可能无压渗透，通过施加合适的外部压力可有效解决该问题。本研究最后提出了一种开孔泡沫碳和液态镁之间的键合结构模型，为推动Mg-C复合材料发展奠定基础。