何 陽, 袁秋紅, 羅 嵐, 京玉海, 劉 勇

（1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西省輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031；2.宜春學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000；3.南昌大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330031）

鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高比強(qiáng)、高比模和易回收等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”。隨著許多金屬礦產(chǎn)資源的日益枯竭，鎂以其資源豐富而日益受到重視，特別是我國目前對結(jié)構(gòu)輕量化要求較高的大飛機(jī)、繞月飛行器、高速軌道交通工具、電動汽車等，對鎂合金有更大的需求，對其性能也提出了更高的要求[1-5]。

如何有效地提高鎂合金綜合力學(xué)性能以滿足時代發(fā)展的需求已成為材料研究者追求的目標(biāo)，也是目前材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。提高鎂合金的綜合力學(xué)性能方法很多，如添加稀土、合金等元素開發(fā)新的合金體系、探索塑性變形工藝和復(fù)合材料制備技術(shù)等。鎂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、密度小和熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，同時還兼具有良好的阻尼性能和電磁屏蔽性能，被認(rèn)為是繼鋁基復(fù)合材料之后又一影響力極強(qiáng)的輕金屬復(fù)合材料。這些優(yōu)異的特性使得鎂基復(fù)合材料在汽車、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用市場[6-9]，因此，發(fā)展先進(jìn)的鎂基復(fù)合材料制備技術(shù)受到了前所未有的關(guān)注和重視。

從結(jié)構(gòu)組成而言，鎂基復(fù)合材料一般由增強(qiáng)體、鎂基體及鎂基體與增強(qiáng)相之間的界面區(qū)域組成。從復(fù)合材料設(shè)計(jì)理論而言，要保持輕質(zhì)的條件下有效提高鎂基體的綜合力學(xué)性能，增強(qiáng)體的選擇極其關(guān)鍵。通常鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體應(yīng)具有以下三大特性：一是增強(qiáng)體具有優(yōu)異的力學(xué)性能且密度??；二是在復(fù)合材料制備過程中增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不容易被鎂熔體損傷；三是增強(qiáng)體能與鎂基體能形成良好的界面結(jié)合。針對這些特性，研究者們在設(shè)計(jì)和制備鎂基復(fù)合材料時，常采用碳納米管[13-16]、石墨烯[22-26]、SiC 顆粒[33-37]、納米 TiC 顆粒[38]、Al2O3顆粒[39-40]、B4C 顆粒[41]等作為鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，并開發(fā)出了眾多體系的鎂基復(fù)合材料。本文在此基礎(chǔ)上分析鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，探討制備高性能鎂基復(fù)合材料存在的技術(shù)瓶頸、設(shè)計(jì)新思路和發(fā)展趨勢。

1 鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

1.1 碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料

碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）自從 1991年被發(fā)現(xiàn)以來，因?yàn)槠鋬?yōu)異的綜合性能而被國內(nèi)外的科研工作者廣泛關(guān)注和研究[10]。CNTs又稱巴基管，具有較小的密度（約為鋼的1/6）、高的長徑比、高強(qiáng)度（約為鋼的100倍）、高韌度和高彈性模量（達(dá) 1 TPa）。此外，CNTs具有較好的高溫穩(wěn)定性，不易與金屬基體反應(yīng)形成脆性界面，被廣泛認(rèn)為是改善鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能理想的增強(qiáng)材料[11-12]。

Han等[13]采用預(yù)分散技術(shù)制備了CNTs增強(qiáng)的鎂合金（AZ31）復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明，預(yù)分散技術(shù)有效改善了CNTs在鎂熔體中的分散性。TEM表征發(fā)現(xiàn)CNTs的結(jié)構(gòu)未被損壞且與AZ31鎂基體形成了良好的界面結(jié)合。當(dāng)添加0.05%（體積分?jǐn)?shù)）的碳納米管時，復(fù)合材料的拉伸屈服強(qiáng)度和壓縮屈服強(qiáng)度分別比基體合金提高了22.7%和53%（見表1）。復(fù)合材料屈服強(qiáng)度的提升是因?yàn)榫鶆蚍稚⒌腃NTs提高了異質(zhì)形核率，有效細(xì)化了鎂合金的組織；同時，CNTs與基體形成了良好的界面結(jié)合。盡管復(fù)合材料中未觀察到CNTs結(jié)構(gòu)的損傷，但由于熔體中 Al的存在，CNTs的腐蝕不可避免（C+Al→Al4C3）。為避免CNTs被Al損傷，同時改善界面結(jié)合質(zhì)量，Nai等[14]在碳納米管表面包覆Ni改性后添加到鎂基體中制備了CNTs/鎂基復(fù)合材料，結(jié)果表明：復(fù)合在基體中的CNTs結(jié)構(gòu)完整，且其表面上的鎳與鎂基體發(fā)生界面反應(yīng)，在界面處形成了Mg2Ni金屬間化合物，進(jìn)而改善了CNTs與鎂基體的界面結(jié)合，復(fù)合材料的顯微硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了41%、39%和64%（見表1）。

表1 碳納米管增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能Table1 Mechanical properties of magnesium matrix composites reinforced by carbon nanotubes

為進(jìn)一步改善CNTs與鎂基體的界面結(jié)合質(zhì)量，本課題組采用化學(xué)鍍工藝對CNTs進(jìn)行表面包覆NiO處理后，通過球磨和鑄造相結(jié)合工藝制備了CNTs增強(qiáng)的Mg-4.0Zn鎂基復(fù)合材料。與基體合金相比，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和斷裂伸長率分別提高了44.9%和38.6%[15]。復(fù)合材料力學(xué)性能的提高主要是由于增強(qiáng)了CNTs與鎂合金的界面結(jié)合力、細(xì)化了晶粒組織和提高了CNTs在基體中的分散性。

開發(fā)新的制備工藝有效改善CNTs在鎂基體中的分散性是制備高性能鎂基復(fù)合材料的途徑之一。Liang等[16]采用摩擦攪拌加工與超聲波輔助擠壓工藝制備了碳納米管/鎂基復(fù)合材料，測試了復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：復(fù)合在基體中的CNTs分散較均勻，復(fù)合材料展現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能（見表1），其原因是CNTs分散性較好且與鎂基體形成了良好的界面結(jié)合，進(jìn)而有效提高了CNTs的位錯強(qiáng)化機(jī)制和應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化作用。

上述研究結(jié)果表明，CNTs可有效提高鎂合金的硬度、強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能，其強(qiáng)化機(jī)制主要有細(xì)晶強(qiáng)化、應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化機(jī)制等。改善CNTs在鎂基體中的分散性、提高界面結(jié)合質(zhì)量和細(xì)化鎂基體的晶粒組織是改善鎂合金綜合力學(xué)性能的關(guān)鍵，也一直是CNTs增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。圍繞這些關(guān)鍵點(diǎn)，科研工作者雖然取得了一定的研究成果，然而目前還未找到一條很有效的制備工藝，同時解決以上關(guān)鍵難點(diǎn)。因此，進(jìn)一步探尋新的工藝以實(shí)現(xiàn)CNTs在鎂基體中的均勻分散性、改善界面結(jié)合質(zhì)量，同時兼顧晶粒細(xì)化效果，是開發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)CNTs/鎂基復(fù)合材料的重要研究方向。

1.2 石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料

石墨烯（graphenes）是由sp2雜化碳原子構(gòu)成的單原子層厚度的二維材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能等特點(diǎn)，如其抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別可達(dá) 125 GPa 和 1100 GPa、熱導(dǎo)率高達(dá) 5150 W/（m·K）、電子遷移率為 1500 cm2·V·–1s–1[17-19]。石墨烯優(yōu)異的物理化學(xué)特性，使其被認(rèn)為是繼CNTs后又一理想的復(fù)合材料增強(qiáng)體[20-21]。目前，石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料尤其是鎂基復(fù)合材料的研究還處于起始階段，制備工藝主要有鑄造工藝和粉末冶金工藝。Rashad等[22]采用攪拌鑄造技術(shù)在AZ31基體中添加少量的石墨烯納米片（graphene nanoplatelets，GNPs），進(jìn)行熱擠壓后制備了GNPs增強(qiáng)的AZ31鎂基復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)GNPs 有助于溶解Mg17Al12相并影響它們在復(fù)合材料基體中的生長，且隨著GNPs含量的增加，復(fù)合材料的顯微硬度、拉伸強(qiáng)度和伸長率也顯著增加（見表2）。復(fù)合材料力學(xué)性能提高的原因是GNPs分散性較好且形成了強(qiáng)界面結(jié)合，使得應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化效果明顯。

表2 石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of graphene reinforced magnesium matrix composites

由于石墨烯片層與片層之間存在著強(qiáng)烈的范德華力，導(dǎo)致其在鎂基體中極難均勻分散。因此，在制備石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料過程中，如何將石墨烯有效地均勻分散到鎂基體中是首要關(guān)鍵難點(diǎn)。目前，解決石墨烯在鎂基體中的團(tuán)聚問題，常采用類CNTs分散方法。如，Du等[23]采用了預(yù)分散技術(shù)和攪拌鑄造工藝制備了低含量GNPs增強(qiáng)的鎂基（ZK60）復(fù)合材料。雙重分散技術(shù)有利于改善GNPs在鎂基體中的均勻分散，TEM結(jié)果發(fā)現(xiàn)GNPs/鎂的界面干凈、整潔未有孔洞等缺陷，表明GNPs與鎂基體的界面結(jié)合緊密。分散性的改善和良好的界面結(jié)合使復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度提高了62%（見表2）。將鎂粉先包覆一層PVA（poly-vinyl alcohol，聚乙烯醇）后再與超聲分散均勻的石墨烯混合，可實(shí)現(xiàn)石墨烯在鎂粉中形成微觀上的預(yù)分散，添加到鎂熔體中進(jìn)一步攪拌分散可有效實(shí)現(xiàn)石墨烯在鎂基體中形成宏觀上的均勻分散，最終實(shí)現(xiàn)石墨烯在鎂基體中的均勻分散，進(jìn)而提高鎂合金的綜合力學(xué)性能（見表2）[24]。Rashad等[25]采用重熔稀釋法來制備GNPs分散較均勻的鎂基復(fù)合材料，復(fù)合材料的顯微硬度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高（見表2）。

在獲得均勻分散性條件下，提高界面結(jié)合是提高鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能的又一關(guān)鍵難點(diǎn)。Rashad等[26]采用液態(tài)分散法制備了含量較少的（0.18%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）GNPs增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，結(jié)果表明該復(fù)合材料屈服強(qiáng)度提高了29%，但伸長率卻下降了34.7%（見表2）。當(dāng)對GNPs包覆鋁粉預(yù)處理后，復(fù)合材料強(qiáng)度和伸長率分別提高了29%和243%，其原因是包覆鋁粉GNPs分散均勻，且與鋁發(fā)生界面反應(yīng)，生成納米級Al4C3，形成界面結(jié)合進(jìn)而提高界面結(jié)合強(qiáng)度[27-28]。為同時解決石墨烯在鎂基體中的分散難和界面結(jié)合質(zhì)量差的問題，本課題組采用具有優(yōu)異分散性的氧化石墨烯為起始增強(qiáng)相，先在鎂基體中形成均勻分散，再利用鎂的強(qiáng)還原特性制備了原位還原石墨烯增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料。結(jié)果表明，復(fù)合材料屈服強(qiáng)度和塑性分別提高了85.7%和61.4%（見表2）[29]。氧化石墨烯因含有豐富的含氧官能團(tuán)而極容易均勻的分散到鎂基體中，經(jīng)燒結(jié)后鎂將均勻分散在基體中的氧化石墨烯還原成石墨烯，同時發(fā)生界面反應(yīng)生成界面產(chǎn)物MgO，有效改善了石墨烯與鎂的界面結(jié)合質(zhì)量（半共格界面）和細(xì)化晶粒組織（MgO異質(zhì)形核）。

石墨烯對鎂基復(fù)合材料的硬度、強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能具有良好的增強(qiáng)效果。石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究還處于起步階段，其強(qiáng)化機(jī)制不明朗，制備工藝也非常有限。因此，進(jìn)一步探索石墨烯增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備工藝，研究石墨烯在鎂基體的分散性、增強(qiáng)機(jī)制和界面結(jié)合機(jī)理是未來高性能鎂基復(fù)合材料的重點(diǎn)研究方向之一。

表3 SiC 增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能Table3 Mechanical properties of SiC reinforced magnesium matrix composites

1.3 碳化硅顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料

碳化硅因?yàn)榫哂懈哂捕?、高?qiáng)度和能在鎂熔體中形成非均勻成核效應(yīng)等原因，被廣泛用于制備高性能鎂基復(fù)合材料，是鎂基復(fù)合材料較理想的增強(qiáng)體[30-31]。此外，SiC具有低的熱膨脹系數(shù)（4.04～4.28）× 10–6K–1[32]，有利于制備出具有良好尺寸穩(wěn)定性的鎂基復(fù)合材料。

碳化硅納米顆粒在尺寸上屬于納米級別，作為增強(qiáng)相添加到鎂基體中，同樣也會遇到團(tuán)聚的問題。因此，解決納米碳化硅在鎂基體中的難分散的問題是制備高性能鎂基復(fù)合材料的關(guān)鍵。Wang等[33]采用超聲波分散法制備了SiC納米顆粒增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料。結(jié)果表明，碳化硅納米顆?？梢酝ㄟ^超聲振動高效均勻地分散到鎂合金中，并有效細(xì)化了鎂基體的晶粒組織，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到顯著提高。Nie等[34]采用相同分散工藝制備了尺寸為60 nm的SiC顆粒增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)隨著SiC納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的晶粒尺寸逐漸減小且Mg17Al12相也得到了細(xì)化。復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷裂伸長率提高較明顯（見表3）。Wang等[35]采用超聲波攪拌鑄造工藝制備了SiC顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，獲得了相同的變化規(guī)律，隨后，該課題組[36]采用超聲振動輔助半固態(tài)攪拌鑄造法制備了SiC納米顆粒增強(qiáng)的AZ31鎂基復(fù)合材料。SiC納米顆粒的添加可以有效抑制剪切帶的形成，有利于促進(jìn)重結(jié)晶晶粒的生長和起到釘扎晶界的作用，進(jìn)而細(xì)化晶粒組織，改善復(fù)合材料的力學(xué)性能（見表3）。Chen等[37]采用蒸發(fā)濃縮法成功制備了高含量（14%，體積分?jǐn)?shù)）且均勻分布（圖1所示）的納米級SiC顆粒增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料微觀樣品。利用納米碳化硅在鎂熔體中具有良好的自穩(wěn)定性效應(yīng)，使其均勻的分散在鎂基體中。與此同時SiC納米顆粒與鎂基體形成了半晶格界面結(jié)合。均勻的分散性和強(qiáng)界面結(jié)合使得復(fù)合材料表現(xiàn)出超高的屈服強(qiáng)度（710 MPa）、彈性模量（86 GPa）、室溫塑性（30%）和高溫穩(wěn)定性能（400 ℃ 屈服強(qiáng)度 123 MPa）。

圖1 SiC 納米顆粒分散在鎂基體中 SEM 形貌[37]Fig.1 SEM image of SiC nanoparticles in Mg alloy matrix [37]

碳化硅納米顆粒對鎂基體組織具有較好的細(xì)化效果，能顯著提高鎂合金的力學(xué)性能。然而，要開發(fā)價(jià)格低廉、性能優(yōu)異的鎂基復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用，還需探索新的制備工藝。

1.4 其他增強(qiáng)體增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料

除碳納米管、石墨烯和SiC增強(qiáng)體外，TiC[38]、Al2O[39-40]、B4C[41]等納米顆粒也是鎂基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)體。

與碳納米管和石墨烯相比，TiC、Al2O3、BC4等納米顆粒的力學(xué)性能相對較差。因此，添加這類納米顆粒增強(qiáng)相主要是通過細(xì)化晶粒組織來強(qiáng)化鎂合金基體，提高復(fù)合材料力學(xué)性能。李傳鵬等[38]在Mg-8Al-1Sn（AT81）基體中加入納米TiC顆粒后，晶粒尺寸顯著變小，復(fù)合材料的室溫性能（屈服強(qiáng)度為170 MPa，比基體提高了23.2%）和高溫拉伸性能（100 ℃ 屈服強(qiáng)度 139 MPa，比基體提高了18.0%）提高幅度較大。復(fù)合材料力學(xué)性能的提高主要原因是納米TiC顆粒起到了較好的細(xì)晶強(qiáng)化作用和與基體形成了良好的界面結(jié)合。

Nguyen等[39]采用熔體共沉積法和熱擠壓工藝制備了Al2O3/AZ31B納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)納米Al2O3顆粒均勻分布在基體中且與基體界面結(jié)合良好，隨著納米顆粒含量的增加，復(fù)合材料的顯微硬度、壓縮屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)Al2O3體積分?jǐn)?shù)為5%時，復(fù)合材料的伸長率顯著增加，其斷裂功增長了4倍，表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能[40]。Ghasali等[41]采用微波和放電等離子燒結(jié)工藝制備了Mg-B4C金屬基復(fù)合材料。結(jié)果表明，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度（（191 ± 15）MPa）和顯微硬度（（92 ± 7）HV）提高顯著，其原因是鎂和 B4C 發(fā)生界面反應(yīng)形成了新的強(qiáng)化相。

與上述單一增強(qiáng)相（只含1種增強(qiáng)體）相比，多相（含2種以上增強(qiáng)體）協(xié)同增強(qiáng)，因其能較好地改善增強(qiáng)體在鎂基體中的分散性而引起了材料工作者的廣泛重視。如Li等[42]采用催化化學(xué)氣相沉積（catalytic chemical vapor deposition，CCVD)工藝在微米級Al2O3顆粒表面垂直生長分散均勻的CNTs，合成了CNTs-Al2O3新型納米增強(qiáng)體，借助Al2O3大顆粒的運(yùn)輸作用，可將CNTs均勻分散到鎂基體中，有效提高了鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能，極限抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率和硬度分別提高了約26.8%、20.9%和38.9%，顯著高于Al2O3和CNTs單獨(dú)增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。Rashad等[43]采用超聲分散技術(shù)將CNTs與石墨烯納米片（GNPs）超聲混合后合成了CNTs@GNPs新型多相增強(qiáng)體，通過具有一維尺度結(jié)構(gòu)的CNTs有效分散和插入到GNPs片層之間，有效阻止了GNPs的團(tuán)聚，使得CNTs@GNPs新型多相增強(qiáng)體具有更好的分散性，復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性得到顯著的提升（屈服強(qiáng)度和伸長率分別提高19%和 137%），伸長率遠(yuǎn)高于CNTs和GNPs單獨(dú)增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料。

多相增強(qiáng)體在提升鎂合金復(fù)合材料力學(xué)性能方面展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，是未來研究的熱點(diǎn)之一，尤其是多相體系的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)理的研究是開發(fā)高性能鎂基復(fù)合材料的關(guān)鍵。

1.5 鎂基復(fù)合材料強(qiáng)韌化對比分析

為更好地理解不同增強(qiáng)體對鎂合金力學(xué)性能增強(qiáng)的差異性，本課題組對鎂基復(fù)合材料的[14, 22-25,29, 49-50]伸長率-屈服強(qiáng)度圖（圖 2）和伸長率-比強(qiáng)度圖（圖3）進(jìn)行了對比分析。

圖2和3顯示，隨著增強(qiáng)體（碳納米管、石墨烯）的添加，鎂基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、比強(qiáng)度和伸長率相對基體合金均有顯著的提升，表明碳納米管和石墨烯對鎂合金的強(qiáng)度和塑形都有較好的增強(qiáng)效果。與碳納米管相比，石墨烯在提升鎂合金綜合力學(xué)性能方面更具有優(yōu)勢，其原因可能是石墨烯具有更好的分散性和其獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)更有利于與鎂基體形成強(qiáng)的界面結(jié)合。此外，圖中還可發(fā)現(xiàn)采用氧化石墨烯為起始增強(qiáng)相可以獲得綜合力學(xué)性能最佳的鎂基復(fù)合材料。氧化石墨烯因具有優(yōu)異的分散特性，是目前改善石墨烯在鎂基體中均勻分散的有效途徑，這些特征為鎂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制備提供了一條很好的新思路和新方向。

圖2 鎂基復(fù)合材料伸長率-屈服強(qiáng)度對比Fig.2 Comparison of elongation -yield strength in magnesium matrix composites

圖3 鎂基復(fù)合材料伸長率-比強(qiáng)度對比Fig.3 Comparison of elongation-specific strength in magnesium matrix composites

2 鎂基復(fù)合材料制備工藝瓶頸

盡管選擇的增強(qiáng)體系不同，在其制備鎂基復(fù)合材料過程中，存在的問題也大不相同，但對于納米增強(qiáng)體增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料而言，還存在著一些共性的瓶頸，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）目前，用于增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體普遍具有納米級尺度結(jié)構(gòu)。因此，在制備鎂基復(fù)合材料過程中，如何成功的均勻分散到鎂基體中是主要的瓶頸之一[44]。隨著增強(qiáng)體含量的增多，分散也越困難，進(jìn)而導(dǎo)致其添加量受到限制，復(fù)合材料力學(xué)性能的提升有限。增強(qiáng)體在鎂基體中的分散性差、團(tuán)聚等現(xiàn)象是導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能差的主要原因之一。如Shimizu等[45]采用球磨工藝將含量最高為5%的碳納米管分散到鎂基體中，進(jìn)一步提高碳納米管含量時，碳納米管在基體中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，復(fù)合材料力學(xué)性能變差。

（2）增強(qiáng)體與鎂基體的界面結(jié)合能力低，無法形成良好的界面結(jié)合強(qiáng)度是另一關(guān)鍵瓶頸。增強(qiáng)體與鎂基體不能形成共格界面或化學(xué)鍵結(jié)合使得復(fù)合材料在受載過程中，應(yīng)力難以有效的傳遞到這些具有優(yōu)異力學(xué)性能的增強(qiáng)體上，導(dǎo)致鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能提升幅度有限[46-47]。Kim等[48]通過工藝改進(jìn)在CNTs與Cu基體之間引入氧離子，實(shí)現(xiàn)了CNTs與Cu基體之間化學(xué)鍵的結(jié)合，有效提高了CNTs與Cu基體的界面結(jié)合質(zhì)量，使得復(fù)合材料力學(xué)性能顯著提高，這一研究結(jié)果為鎂基復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)[49-50]啟發(fā)了新的方法和思維。

（3）由于增強(qiáng)體在與鎂基體復(fù)合過程中，不可避免地會受到來自高溫基體成分的侵蝕、腐蝕等物理化學(xué)作用，導(dǎo)致增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)受損，復(fù)合材料力學(xué)性能提升幅度受限。如碳納米管、石墨烯在鎂鋁合金體系中，極容易被腐蝕，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，進(jìn)而影響其強(qiáng)化效果。因此，如何保持復(fù)合在基體中增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是制備高性能鎂基復(fù)合材料的又一關(guān)鍵瓶頸。

3 鎂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)新思路

針對目前鎂基復(fù)合材料存在的增強(qiáng)體分散性差、添加量受限、界面結(jié)合弱和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的瓶頸問題，材料科學(xué)工作者提出了一些新的設(shè)計(jì)思路以期獲得性能更高的鎂基復(fù)合材料，具體表現(xiàn)在以下四個方面：

（1）對增強(qiáng)體進(jìn)行表面包覆改性處理

選擇合適的過渡材料，采用合理的改性工藝，對增強(qiáng)體進(jìn)行表面包覆改性，是解決增強(qiáng)體在鎂基體中的分散性差和界面結(jié)合弱的有效途徑。此外，改性過渡材料層的存在有效保護(hù)了分布在鎂基體中增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)完整性。正因如此，對增強(qiáng)體進(jìn)行表面包覆改性處理，受到了越來越多的關(guān)注，如CNTs表面包覆 Si、SiO2、SiC、MgO、NiO 等[49-50]，石墨烯表面包覆MgO、Cu、TiC等。這類工藝在提高界面結(jié)合質(zhì)量、保護(hù)增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面具有非常好的效果，但增強(qiáng)體的添加體積分?jǐn)?shù)受限，且含量增多時，也難分散。此外，工藝偏復(fù)雜，對工業(yè)化生產(chǎn)不利。因此，采用表面改性進(jìn)行設(shè)計(jì)鎂基復(fù)合材料需解決添加體積分?jǐn)?shù)受限、工藝偏復(fù)雜等問題。

（2）開發(fā)與優(yōu)化基體合金成分獲得與增強(qiáng)體相匹配的合金體系

開發(fā)高性能鎂基復(fù)合材料，基體合金的設(shè)計(jì)與選擇至關(guān)重要。基體合金力學(xué)性能優(yōu)異，更有利于實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體和基體合金的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”，開發(fā)出具有超高力學(xué)性能的鎂基復(fù)合材料。如在鎂基體中添加少量的 Sr、Ti、Ca、Zr等合金元素[51-53]，可有效改善鎂基體的晶粒組織，獲得力學(xué)性能較好的基體材料。優(yōu)化鎂鋁合金體系中鋁的含量，獲得與增強(qiáng)體（CNTs）相匹配的鎂基體，最大程度提高鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能[47]。針對碳納米管、石墨烯易被鋁腐蝕的特性，選擇無鋁鎂合金體系為基體（Mg-Zn）獲得力學(xué)性能更高的鎂基復(fù)合材料[54-55]。

此外，開發(fā)新的合金體系，如在鎂基體中添加稀土元素 Ce、Nb、Y、La等[56-58]，獲得優(yōu)異力學(xué)性能的基體合金。目前，選擇含稀土合金體系為基體開發(fā)高性能鎂基復(fù)合材料，還未引起過多的關(guān)注和重視，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道也不多。

（3）開發(fā)全新的復(fù)合材料制備工藝

制備工藝的合理與先進(jìn)對復(fù)合材料的力學(xué)性能起著決定性的作用。目前，鎂基復(fù)合材料制備工藝主要有鑄造工藝、粉末冶金工藝和塑性變形工藝三大類。結(jié)合這些工藝的特征和鎂基復(fù)合材料現(xiàn)存的瓶頸問題，開發(fā)新的制備工藝是目前材料學(xué)者普遍關(guān)注的重點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，如采用蒸發(fā)濃縮法制備超高力學(xué)性能的碳化硅/鎂基復(fù)合材料[37]，預(yù)分散技術(shù)與鑄造工藝、塑性變形工藝、粉末冶金工藝的組合與優(yōu)化[59-60]。此外，開發(fā)鎂基復(fù)合材料的3D打印技術(shù)和粉末注射成型技術(shù)并實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)也是未來的研究熱點(diǎn)[61-63]。

（4）開發(fā)新的增強(qiáng)相體系

開發(fā)多相或三維尺度的新型增強(qiáng)體可有效克服單相增強(qiáng)體分散性差、添加量低等瓶頸問題而受到了越來越多的重視。如利用碳納米管與石墨烯的自組裝效應(yīng)開發(fā)出了具有三維尺度結(jié)構(gòu)的新型納米碳材料增強(qiáng)體[43]以及開發(fā)具有三維柱狀石墨烯/碳納米管納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體（圖4所示）[64]、利用大尺寸的SiC硅顆粒為載體與CNTs混合合成了CNTs@SiC新型多相增強(qiáng)體[65]。實(shí)踐證明，這類新型增強(qiáng)體在鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能提升方面具有顯著的效果，展現(xiàn)出優(yōu)異的特性，為鎂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制備提供了新的思路。

圖4 三維柱狀石墨烯/碳納米管納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體示意圖[64]Fig.4 3D pillared VACNT/graphene[64]

4 鎂基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與研究方向

在增強(qiáng)體增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用過程中，最終目標(biāo)是如何改善和提高鎂合金的綜合力學(xué)性能。未來鎂基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢和研究方向依然是圍繞目前復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制備過程中存在的瓶頸問題來展開，具體可分為以下五方面：

（1）探索增強(qiáng)體改性工藝，獲得極容易分散的增強(qiáng)體以同時解決分散難和界面結(jié)合弱的瓶頸問題。如本課題組利用氧化石墨烯具有優(yōu)異的分散特性，與鎂基體形成均勻分散的復(fù)合材料，通過界面反應(yīng)在界面處形成納米MgO提高界面結(jié)合強(qiáng)度，同時細(xì)化晶粒組織獲得力學(xué)性能優(yōu)異的鎂基復(fù)合材料。

（2）基體合金成分優(yōu)化。通過調(diào)控和優(yōu)化合金成分，探索與增強(qiáng)體相匹配的鎂合金基體可進(jìn)一步改善鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能。

（3）開發(fā)新型多相增強(qiáng)體。新型多相增強(qiáng)體集合了單相增強(qiáng)體的優(yōu)異特性，同時具有更好的分散性，是未來解決增強(qiáng)體分散難的有效途徑之一。

（4）開發(fā)新的制備工藝。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上整合與分散技術(shù)、鑄造工藝、粉末冶金工藝、塑性變形工藝制備新能優(yōu)異的鎂基復(fù)合材料依然是未來的研究重點(diǎn)；同時，鎂合金及其復(fù)合材料的3D打印技術(shù)也是未來關(guān)注的重點(diǎn)。

（5）運(yùn)用第一性原理計(jì)算工具，探索鎂基復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)理模型，研究復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理論，是未來鎂基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一。