问题

碳镁合金和锂镁合金比有哪些优缺点?

回答
碳镁合金和锂镁合金,这两种名字听起来都挺“硬核”的材料,在现代工业中可是各有千秋,也各有各的小毛病。咱们这就好好掰扯掰扯,看看它们俩到底谁更胜一筹,又在哪些地方栽跟头。

先说说碳镁合金,或者更常见的叫法是镁碳复合材料。

优点:

轻得没朋友,但“硬”度也不错: 镁本身就轻,加上碳纤维这种“大力出奇迹”的增强材料,它俩一结合,那密度简直是低到尘埃里。想想看,飞机、高铁、无人机这些对重量要求到极致的玩意儿,能用上这玩意儿,那省的油(或者电)可不是小数目。而且,碳纤维的加入,不像普通金属那样一拉就软,它的强度和刚度都跟着蹭蹭往上走,而且还不怎么怕拉伸。
耐高温,不怕“烤”: 镁本身在高温下稳定性一般,容易氧化。但碳纤维不一样,它耐高温的本领可是出了名的。碳纤维包裹住镁基体,就像给镁穿了件防护服,能让它在更高的温度下保持稳定,不容易变形或者失效。这对于航空发动机、高温结构件什么的,简直是福音。
抗疲劳,不容易“累”: 机械设备用久了,总会有点小裂缝,慢慢变脆,这就是疲劳。镁碳复合材料因为碳纤维的加入,能够有效地阻止裂纹的扩展,让材料更耐受反复的应力,使用寿命自然也就长了。
导电导热,还可以“玩”点花样: 碳纤维本身导电导热就不错,所以镁碳复合材料在这方面也有遗传。这意味着它们不仅能承重,还能当个“导线”用,或者帮助散热。而且,通过调控碳纤维的类型、含量和分布,还能精细地调整材料的导电导热性能,这给设计者提供了很大的灵活性。
电化学性能“有故事”: 镁在电化学领域也挺有意思,比如它做电池负极材料,理论能量密度很高。镁碳复合材料结合了镁的电化学活性和碳的结构稳定性,在电池、超级电容器等储能领域,有潜力成为下一代明星材料。

缺点:

加工起来“费劲”: 毕竟是复合材料,不像纯金属那么好加工。碳纤维和镁基体的结合方式、界面处理这些都是大学问,处理不好性能就大打折扣。切削、成型这些过程,难度系数都比普通金属要高,成本也自然上去了。
成本,成本,还是成本: 高性能的碳纤维本身就贵,再加上复杂的制备工艺,让镁碳复合材料的价格比大多数金属材料都要高。这玩意儿想大规模普及,还得继续攻克成本难题。
湿热环境下的“小脾气”: 虽然碳纤维耐高温,但镁基体在湿热环境下,还是可能发生腐蚀。虽然有碳纤维的保护,但如果防护不到位,或者有微小的裂缝,水汽还是可能钻进去,引起问题。
回收是个“大工程”: 复合材料的回收不像金属那么直接。要把碳纤维和镁分离,再分别回收利用,这个过程技术要求高,成本也大。如果处理不好,还可能造成二次污染。

再来看看锂镁合金。

优点:

轻,但“轻”得更有“韧性”: 锂是所有金属里最轻的,它跟镁合金搭配,那密度比铝合金还要低不少。这意味着在航空航天、便携式电子产品等领域,能大幅度减重。但与镁碳复合材料那种“刚”的属性不同,锂镁合金在保持低密度的同时,往往也能有不错的塑性和韧性,不容易脆断。
强度不错的“全能选手”: 锂的加入,能够显著提高镁合金的强度和硬度。经过适当的合金化和热处理,锂镁合金可以达到与许多铝合金相媲美的强度,同时重量却更轻。这种“鱼与熊掌”兼得的特性,让它在很多结构件上都有用武之地。
加工性相对“友好”: 相比于复合材料,锂镁合金毕竟还是金属合金,它的加工性能通常要比镁碳复合材料好一些。铸造、轧制、挤压等传统金属加工工艺,很多都可以应用于锂镁合金,这为大规模生产提供了便利。
变形能力好,可以“随心所欲”: 锂的加入,还能改善镁合金的加工塑性,使得材料更容易进行冷加工和塑性变形,比如深拉伸、冲压等。这对于制造形状复杂的零部件非常有利。

缺点:

成本不菲,锂是“奢侈品”: 锂虽然轻,但它也贵啊!锂的开采、提炼成本都相对较高,这直接导致了锂镁合金的生产成本也水涨船高。
氧化和腐蚀的“老问题”: 锂和镁一样,都是非常活泼的金属,特别容易被氧化。在空气中,它们很容易形成氧化层,甚至在潮湿的环境下会发生更严重的腐蚀。虽然可以通过合金化和表面处理来改善,但这仍然是锂镁合金应用的一个重要限制。
焊接时的“小心思”: 锂镁合金的焊接不像普通金属那么简单。它们容易在高温下熔化、氧化,而且焊缝的性能往往会下降,容易出现气孔、裂纹等缺陷。需要特殊的焊接工艺和保护措施。
阻尼性能“一般般”: 镁合金本身具有不错的阻尼性能,也就是吸收振动的能力。但锂的加入,虽然提高了强度,却可能在一定程度上削弱这种阻尼效果。对于需要减震的应用,可能需要另辟蹊径。
“易燃”的潜在风险(特别是在粉末状态下): 锂非常活泼,在粉末状态下,特别是遇到水或空气中的湿气,有潜在的燃烧风险。虽然这在块状材料中不是主要问题,但在某些加工和使用场景下,需要特别注意安全。

总结一下,打个比方:

碳镁合金 就像是一个“高科技盔甲”,它极其轻便,又能承受高温和重压,而且抗“疲劳”能力超强。但穿戴起来比较麻烦,需要特殊的设计和制作,而且保养费用也不低。
锂镁合金 则更像是一个“轻盈的战士”,它浑身都是轻的,同时又有不错的力量和韧性,行动灵活,容易塑形。不过,它皮肤比较“娇嫩”,需要小心呵护,而且“身上”的装备(锂)也比较昂贵。

所以,它们俩怎么选,很大程度上取决于你的“需求”:

如果你追求的是极致的耐高温、高强度、抗疲劳,并且愿意为复杂的加工和高成本买单,那碳镁合金可能是你的菜。比如飞机发动机叶片、高温结构件。
如果你需要的是极轻的重量,同时又要易于加工、塑形,并且对延展性有一定要求,那么锂镁合金会是更好的选择。比如高性能汽车的车身、电子设备的壳体、航空器结构件。

总的来说,这两种材料都是为了满足特定领域的严苛要求而诞生的,它们各有千秋,在各自的舞台上发挥着重要的作用。随着技术的不断进步,它们的缺点也在被逐步克服,未来在更多领域看到它们的身影,也是可以预期的。

网友意见

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为了回答好这个问题,同时,也考量下这个研究方向,花了一个多小时找了下文献。按照题目要求,简单说下以下几个问题。

  • LG Gram Z980纳米碳镁合金,
  • 触感更接近塑料
  • 和传统锂镁、铝镁合金相比,有哪些优缺点,扛腐蚀和耐磨性能如何


1、纳米碳镁合金

LG Gram Z980称自己用的叫做纳米碳镁

商品嘛,起个正常人没听说过的名字才能满足消费者的好奇心、虚荣心、消费欲望。

这个材料的实际名字,我没找到其具体参数,但,学术名字应该是镁基碳纳米管增强复合材料。

简单说,在镁合金中加入碳纳米管,起到一定的增强效果。具体而言,做笔记本壳子的材料一般是挤压或轧制处理的AZ31,或压力铸造或半固态成型的AZ91。按照现在的工艺,两者都有可能。微软的surface用的应该是AZ31,这个可能也是。

按我查到的文献,这个纳米碳镁应该是AZ31/AZ91+0-3 wt. % CNT (Carbon nanotube)


2、触感。

触感,这种主观感受是可以操纵的。

一来,可以在不改变合金内部组织的前提下,经由表面处理即可完全实现。评价体系中最虚,最水的标准。不提。只说一点,添加CNT基本不会影响合金的表面质量,因为比例太低,商用肯定在3%以下。这种程度都能让触感质变,那估计就是安慰剂效应了。


3、对比优劣。

和镁锂对比,密度高10-20%左右,室温强度高50-100%,塑性低很多,只有镁锂的三分之一到五分之一,耐氧化;和铝镁比,密度低30%,塑性低50%,模量低30%。

抗腐蚀:Li的存在导致容易氧化;CNT化学稳定,腐蚀性全看基体AZ31/AZ91。

耐磨性:看硬度,硬度高,耐磨性高。

CNT的加入可能会导致硬度增加,但幅度不大。如下图中黄色部分,极限增幅6%。纯镁中有时候还会降低。


4、最应该关注的,是加CNT前后的效果对比。

分几个方面:强度,塑性,热导率。

强度增加这一条,确定。 CNT大法好!

塑性降低,不可避免。 CNT大法差!

导热性能降低,不可避免。CNT大法差!

注意上面这个强度增加,但塑性明显降低(以图4、5为参考),这是所有复合材料的通病。若此,我猜他这种材料更可能是用半固态成型或压铸AZ91做成的。这样的话,强度会低很多,大概130MPa左右吧,算是低了,CNT强化也不明显,增加个10-15%差不多了。

总体而言,镁基CNT,即他们宣称的这个纳米碳镁,算是个提高,但更多是噱头,有无的问题。没有什么突破性提高。考虑到商业应用,CNT的添加量可能到不了3%,毕竟CNT还是很贵的,虽然具体数值我不知道,但参考已经工业应用的碳纤维复合材料的价格,CNT只会更贵。


但我欢迎这种噱头。

让完全不懂这个材料的人觉得这东西高大上,愿意为这个消费,才能让做相关研究的人才能有钱做研究,从而真正的把这个符合材料做到更好。

至于下面这种,当笑话看看就好。


补:

CNT的参考价格:工业级多壁CNT, 600RMB/kg,单壁的太贵,肯定不会用,原镁的报价现在12/kg,所以CNT添加量多不了。


根据讨论区的信息, @什么都不敏感, 再补一次:

下面是一个生产笔记本壳子的过程视频,基本流程,和铸造对比优点等都讲了。

https://www.zhihu.com/video/958262167435276288

如果是AZ31变形镁合金做机身,那这种产品的原始铸锭一般都200mm以上直径,能做多长做多长,大直径的铸锭可以有2吨,然后挤压成板子,然后根据需要看是否轧制,做成通用型商用板材,除了给做电脑机身,还可以做汽车车门,内饰等很多部件。

到了生产电脑机身的具体承包商这里,还需要做热冲压成型(上面这个视频),最后才是CNC机加工,精确成型,化学处理等。

如果是压铸,那就是除了最后CNC机加之后相同,前面的都没有。

这也是我觉得这个本子是AZ91加了一点儿CNT的原因:前面这条线太长了,成本也高,除了surface这种土豪本,一般的本子用的话,摊销成本还是高了。

但性能要好很多,比压铸能高出将近100MPa,近乎翻倍,伸长率,基本就是4倍。

所以如果真是为了强度高,根本不需要加CNT,只要走完第一条路径,做成变形镁合金(对标方案称为铸造镁合金),强度就非常好了,而且伸长率可以到20-30%,冲击吸收功(强度-伸长率曲线的和伸长率轴之间的面积,强度或伸长率的增加都可以导致这个指标的增加)可以到压铸CNT增强AZ91的3-4倍。

如果真打算用笔记本防弹, @肉弹战车这才是优选,但,单靠着一张打湿了报纸的重量的机身材料挡子弹的话,那存活估计就是靠信仰了(抗弹主要靠里面将近10mm厚度内的其他乱起八糟的“内脏”器件)。

再如果,这个本子真是压铸AZ91+CNT,那这个机身就是局座常说的那个东西:绣花枕头烂草包。

买本子的时候,大家还是选塑性成形(相对于压铸成形)的AZ31吧,没那么多噱头,实在的轻质高强。

坐等具体信息出来,有实际数据的欢迎私信指教。

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