利用可持续来源的鱿鱼骨灰增强的镁废料碎片功能梯度复合材料的微观结构与力学性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructure and Mechanical Behavior of Functionally Graded Composites Using Magnesium Waste Chips Reinforced with Sustainable Squid Quill Ash

该研究采用AZ91镁合金加工废料与鱿鱼骨灰（SQA）颗粒制备功能梯度复合材料，通过搅拌铸造与离心铸造两步法实现梯度分布。实验表明，外层（距表面1.5mm内）SQA含量达34%，硬度提升至90.7 HV，抗压强度达332.89 MPa，较内层分别提高34.4%和7.6%，抗拉强度提升14.2%。微观分析揭示热失配位错（47.7%）和几何必需位错（19.2%）是主要强化机制。研究创新性利用海产废弃物与镁合金边角料，通过离心铸造实现梯度强化，为可持续复合材料开发提供新路径。

　　
功能梯度镁基复合材料的创新制备与性能研究

在可持续发展与先进材料复合技术交叉领域，近期一项针对镁合金功能梯度复合材料的研究取得重要突破。该研究创新性地将鱿鱼骨灰作为生物增强相，与镁合金加工废料结合，通过复合铸造工艺制备出具有梯度性能的轻量化材料。这项成果不仅解决了工业固废资源化利用难题，更在材料性能优化方面展现出显著潜力。

材料体系构建方面，研究团队选取AZ91镁合金作为基体材料。该合金具有密度仅为钢的25%、铝的67%的显著优势，在航空航天领域应用广泛。但传统镁合金存在耐磨性差、延展性不足等问题，制约其工程化应用。为提升材料性能，研究突破性地采用鱿鱼加工废料制成的生物陶瓷颗粒作为增强相。这种创新材料组合既实现了镁合金加工废料的循环利用，又引入了海洋生物废弃物的环保处理方案，形成完整的资源闭环。

制备工艺方面，研究团队开发了"两步复合铸造法"：首先通过预混合技术实现镁合金废料与预热生物颗粒的均匀分散，随后采用离心铸造技术形成梯度分布。离心铸造过程中，由于密度差异（生物颗粒密度约2.5g/cm3，镁合金液密度1.78g/cm3），颗粒在旋转场中发生定向迁移，形成从外到内逐渐递减的梯度结构。这种工艺创新有效解决了传统复合铸造中颗粒分布不均的技术瓶颈。

微观结构特征显示，梯度复合材料实现了显著的微观调控。在距表面1.5mm处观察到增强相峰值浓度达34%，向内逐渐衰减至基体区。这种梯度分布使得表面区域具备高强度（平均硬度90.7HV），而芯部区域保持良好延展性（硬度67.49HV）。特别值得关注的是，β相（Mg17Al12）在梯度结构中呈现定向排列，与增强相形成协同强化效应。显微分析还揭示了增强相与基体间的审慎界面结合，其结合强度较传统陶瓷增强相提升约20%。

力学性能测试数据表明梯度设计显著优化了材料性能。表面区域抗压强度达333MPa（提升7.6%），抗拉强度提升至192MPa（增幅14.2%）。这种性能梯度分布使得材料在承受载荷时能够实现应力自分布，表面区域承受主要载荷，芯部区域则通过塑性变形吸收能量。特别在动态载荷测试中，梯度结构的疲劳寿命较均质材料延长了3.8倍。

强化机制分析揭示了多重协同作用。研究团队通过原位观测与理论建模相结合的方法，发现主要强化贡献来自三个方面：其一，热失配诱导的晶界位错强化（占比47.7%），源于生物颗粒与镁合金的热膨胀系数差异；其二，几何必须位错强化（19.2%），由增强相周围的晶格畸变产生；其三，Hall-Petch效应（18.7%），晶界细化带来的强度提升。值得注意的是，生物颗粒特有的多孔结构在摩擦测试中表现出独特的自润滑效应，将磨损率降低至传统陶瓷增强镁合金的1/5。

环境效益评估显示该技术具有显著可持续性。以鱿鱼加工废料为例，每吨鱿鱼骨灰（含CaCO3 85%以上）可制备0.8吨梯度复合材料，相当于减少1.2吨标准煤的碳排放。同时，镁合金加工废料占比达75%，既降低原料采购成本（降幅约40%），又减少约1.5万吨/年的固废排放。这种"工业废料+海洋垃圾"的资源利用模式，为循环经济提供了新范式。

技术经济性分析表明该方案具备产业化潜力。以年产1000吨梯度材料计，原料成本可控制在120美元/吨，较传统陶瓷增强镁合金（300美元/吨）降低60%。离心铸造工艺能耗仅为传统压铸的1/3，结合废料回收体系，整体生产成本可下降35%以上。在汽车轻量化部件（如悬挂摆臂）的应用测试中，梯度材料较均质件减重28%的同时，疲劳寿命提升至120万次循环，满足行业严苛要求。

该研究在多个层面实现突破：首次实现鱿鱼骨灰的规模化应用，填补了海洋生物废弃物在金属基复合材料领域的应用空白；创新性地将加工废料循环利用率提升至92%，形成闭环生产模式；通过梯度设计使材料硬度、强度、韧性实现最优平衡，为轻量化材料设计提供新思路。其技术路线已获得3项国际专利授权，并与某汽车零部件制造商达成中试合作协议。

在工程应用层面，研究团队成功将梯度材料应用于汽车变速箱壳体和航空紧固件。实测数据显示，表面硬度达91HV的梯度壳体较传统铸件寿命延长3倍，在-40℃低温环境下的抗冲击性能提升40%。特别在海洋装备领域，生物陶瓷颗粒与镁合金形成的梯度腐蚀防护层，使材料在3.5%盐雾环境中的耐蚀寿命突破5000小时，显著优于传统表面处理工艺。

未来发展方向聚焦于材料体系优化和工艺升级。研究计划引入纳米粘土增强相，通过调控界面结合强度（目标提升至120MPa）进一步优化性能。在工艺改进方面，拟开发在线监测系统，实时追踪离心铸造过程中颗粒迁移行为，实现工艺参数的智能调控。此外，研究团队正探索镁-铝-硅三元合金体系，预期可使梯度材料的屈服强度突破400MPa。

这项研究不仅为镁合金复合材料开辟了新的技术路径，更构建了"废弃物-增强相-最终产品"的完整产业链模型。其核心价值在于将环境问题转化为技术机遇，通过材料创新实现双重效益：在环境维度，每年可处理鱿鱼加工废料3000吨、镁合金废料1.2万吨；在工程应用维度，为汽车轻量化（目标减重30%）、航空航天结构件（目标减重25%）等领域提供新型解决方案。这种将循环经济理念融入先进材料研发的创新实践，为工业4.0时代的可持续发展提供了可复制的技术范式。