隨著全球節能減排和環保要求的日益提高，輕質、高強度的鎂合金材料因其優異的綜合性能而受到廣泛關注。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、電子通訊等領域展現出巨大的應用潛力。然而，純鎂的強度和硬度較低，限制了其在更廣泛領域的應用。為了提高鎂合金的性能，顆粒增強金屬基復合材料成為了研究的熱點。SiC顆粒因其熱膨脹系數小、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鎂合金結合，不僅保持了鎂合金的輕質優勢，還顯著提高了其強度和耐磨性。因此，SiC顆粒增強的AZ91D鎂基復合材料在制備螺旋槳、導彈尾翼和氣缸等方面得到了廣泛應用，成為應用鎂基復合材料之一。

盡管SiC顆粒增強鎂基復合材料展現出了優異的性能，但在實際應用中仍面臨一些挑戰。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象，影響了復合材料的均勻性和力學性能。其次，SiC顆粒與鎂合金基體的界面結合性也是影響復合材料性能的關鍵因素，界面結合不良會導致應力集中和裂紋的形成，從而降低材料的強度和韌性。此外，SiC顆粒的尺寸效應對復合材料的微觀組織和力學性能有顯著影響，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，需要深入研究以優化復合材料的性能。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合性，以及如何通過顆粒尺寸的優化來進一步提升復合材料的性能，成為了當前研究中亟待解決的問題。

針對上述問題，太原理工大學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鎂基復合材料，并詳細分析了不同尺寸SiC顆粒對復合材料顯微組織和力學性能的影響。該研究旨在優化復合材料的結構和性能，以期通過不同尺寸顆粒之間的協同作用進一步細化晶粒、強化界面結合并提高整體的力學性能，為這類復合材料的實際應用提供理論依據和技術支持，研究成果發表在《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性能的影響展開。研究人員采用半固態機械攪拌法，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顆粒在鎂基復合材料中的分散性、界面結合特性及其對微觀結構和力學性能的影響。

圖 AZ91D和不同尺寸SiCp/AZ91D復合材料的顯微組織

研究表明，加入SiC顆粒后，復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促進了新晶粒的形核，從而進一步細化了晶粒結構。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，使得復合材料的晶粒更加細小。對于雙尺寸復合材料，研究發現納米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象，表明納米SiC顆粒與基體的結合良好。

圖 雙尺寸SiCp/AZ91復合材料的SEM顯微照片及成分分析

力學性能測試結果顯示，SiC顆粒的加入顯著提升了復合材料的抗拉強度、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合材料的SEM和TEM顯微組織

斷裂機制分析顯示，復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，容易在界面處產生應力集中。相比之下，納米SiC顆粒與基體之間的界面結合較好，在拉伸過程中沒有出現微裂紋，表明其具有更高的界面結合強度和較低的應力集中。該研究不僅揭示了單/雙尺寸SiC顆粒對AZ91D鎂合金復合材料微觀組織和力學性能的具體影響，還為優化復合材料的制備工藝和提升其實際應用性能提供了重要的理論依據和技術指導。

澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經濟實用的科研設備。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。該設備對安裝環境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業人士也能快速上手，且購買及維護成本均低于落地式掃描電鏡，現已成為許多高校、研究所和企業的選擇設備之一。