鎂基復(fù)合材料研究進(jìn)展及新思路

何 陽, 袁秋紅, 羅 嵐, 京玉海, 劉 勇

（1.南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西省輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料重點實驗室，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）

鎂合金是實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高比強、高比模和易回收等優(yōu)點，被譽為“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、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)合材料具有比強度高、比模量高、密度小和熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，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)合材料一般由增強體、鎂基體及鎂基體與增強相之間的界面區(qū)域組成。從復(fù)合材料設(shè)計理論而言，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，增強體的選擇極其關(guān)鍵。通常鎂基復(fù)合材料的增強體應(yīng)具有以下三大特性：一是增強體具有優(yōu)異的力學(xué)性能且密度小；二是在復(fù)合材料制備過程中增強體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不容易被鎂熔體損傷；三是增強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，因為其優(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)性能理想的增強材料[11-12]。

Han等[13]采用預(yù)分散技術(shù)制備了CNTs增強的鎂合金（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度和壓縮屈服強度分別比基體合金提高了22.7%和53%（見表1）。復(fù)合材料屈服強度的提升是因為均勻分散的CNTs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、抗拉強度和屈服強度分別提高了41%、39%和64%（見表1）。

表1 碳納米管增強的鎂基復(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的位錯強化機制和應(yīng)力轉(zhuǎn)移強化作用。

上述研究結(jié)果表明，CNTs可有效提高鎂合金的硬度、強度和塑性等力學(xué)性能，其強化機制主要有細(xì)晶強化、應(yīng)力轉(zhuǎn)移強化和位錯強化機制等。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增強鎂基復(fù)合材料的研究熱點。圍繞這些關(guān)鍵點，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。因此，進(jìn)一步探尋新的工藝以實現(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CNTs/鎂基復(fù)合材料的重要研究方向。

1.2 石墨烯增強鎂基復(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，如其抗拉強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)合材料增強體[20-21]。目前，石墨烯增強金屬基復(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界面結(jié)合，使得應(yīng)力轉(zhuǎn)移強化效果明顯。

表2 石墨烯增強鎂基復(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。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現(xiàn)石墨烯在鎂基體中形成宏觀上的均勻分散，最終實現(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、抗拉強度和抗壓強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。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增強的鎂基復(fù)合材料，結(jié)果表明該復(fù)合材料屈服強度提高了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相，先在鎂基體中形成均勻分散，再利用鎂的強還原特性制備了原位還原石墨烯增強的鎂基復(fù)合材料。結(jié)果表明，復(fù)合材料屈服強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、強度、塑性等力學(xué)性能具有良好的增強效果。石墨烯增強鎂基復(fù)合材料的研究還處于起步階段，其強化機制不明朗，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、增強機制和界面結(jié)合機理是未來高性能鎂基復(fù)合材料的重點研究方向之一。

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

1.3 碳化硅顆粒增強鎂基復(fù)合材料

碳化硅因為具有高硬度、高強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納米顆粒增強的鎂基復(fù)合材料。結(jié)果表明，碳化硅納米顆粒可以通過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度、屈服強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。均勻的分散性和強界面結(jié)合使得復(fù)合材料表現(xiàn)出超高的屈服強度（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)價格低廉、性能優(yōu)異的鎂基復(fù)合材料實現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用，還需探索新的制備工藝。

1.4 其他增強體增強鎂基復(fù)合材料

除碳納米管、石墨烯和SiC增強體外，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相主要是通過細(xì)化晶粒組織來強化鎂合金基體，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（屈服強度為170 MPa，比基體提高了23.2%）和高溫拉伸性能（100 ℃ 屈服強度 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、壓縮屈服強度和抗壓強度逐漸增大。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)形成了新的強化相。

與上述單一增強相（只含1種增強體）相比，多相（含2種以上增強體）協(xié)同增強，因其能較好地改善增強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新型納米增強體，借助Al2O3大顆粒的運輸作用，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單獨增強的鎂基復(fù)合材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的協(xié)同增強效應(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新型多相增強體具有更好的分散性，復(fù)合材料的強度和塑性得到顯著的提升（屈服強度和伸長率分別提高19%和 137%），伸長率遠(yuǎn)高于CNTs和GNPs單獨增強的鎂基復(fù)合材料。

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

1.5 鎂基復(fù)合材料強韌化對比分析

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

圖2和3顯示，隨著增強體（碳納米管、石墨烯）的添加，鎂基復(fù)合材料的屈服強度、比強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度和塑形都有較好的增強效果。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特的二維平面結(jié)構(gòu)更有利于與鎂基體形成強的界面結(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，但對于納米增強體增強的鎂基復(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，用于增強鎂基復(fù)合材料的增強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)合強度是另一關(guān)鍵瓶頸。增強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[49-50]啟發(fā)了新的方法和思維。

（3）由于增強體在與鎂基體復(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)而影響其強化效果。因此，如何保持復(fù)合在基體中增強體的結(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)計新思路

針對目前鎂基復(fù)合材料存在的增強體分散性差、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，對增強體進(jìn)行表面包覆改性，是解決增強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體的結(jié)構(gòu)完整性。正因如此，對增強體進(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)增強體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面具有非常好的效果，但增強體的添加體積分?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)計與選擇至關(guān)重要?；w合金力學(xué)性能優(yōu)異，更有利于實現(xiàn)增強體和基體合金的“強強聯(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)注的重點和研究熱點，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)并實現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)也是未來的研究熱點[61-63]。

（4）開發(fā)新的增強相體系

開發(fā)多相或三維尺度的新型增強體可有效克服單相增強體分散性差、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新型多相增強體[65]。實踐證明，這類新型增強體在鎂基復(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

在增強體增強鎂基復(fù)合材料的開發(fā)和實際應(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）探索增強體改性工藝，獲得極容易分散的增強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)新型多相增強體。新型多相增強體集合了單相增強體的優(yōu)異特性，同時具有更好的分散性，是未來解決增強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；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。

（5）運用第一性原理計算工具，探索鎂基復(fù)合材料強化機理模型，研究復(fù)合材料的設(shè)計理論，是未來鎂基復(fù)合材料的研究熱點之一。