導讀：鎂基材料不僅具有低密度、高比強度等優良特性，而且具有高阻尼、高導熱、高電磁干擾屏蔽能力、阻燃性、可溶解性等優異的功能特性。然而，如何在強度和功能之間取得平衡仍然是鎂合金界面臨的一個重大挑戰。通常，強度取決于阻礙位錯運動的溶質原子和第二相等缺陷的釘軋作用。最佳的功能特性通常需要相對完美的晶體結構，因為溶質原子和第二相的存在會對阻尼能力和導熱性產生不利影響。平衡這些相互沖突的需求是困難的。鎂合金的強度和功能之間的權衡應該打破，以滿足航空航天、汽車、3C(計算機、通信和消費電子)和能源行業對高性能結構功能集成的鎂基材料的迫切需求。本文綜述了鎂合金功能性能的機理和影響因素的研究進展。討論了鎂合金強度與功能之間權衡的機制。綜述了近年來發展起來的結構功能一體化鎂合金及其復合材料，包括具有高阻尼性能、高導熱性能、強電磁屏蔽性能、優異阻燃性能、高溶解速率的高強鎂基材料。提出了今后發展結構功能一體化鎂基材料的工作方向。

鎂是市售結構金屬中密度最低、比強度和比剛度較高的金屬。此外，Mg還具有一些獨特的功能性質。例如，Mg具有非常高的阻尼能力和減震性能，高導熱性，電磁屏蔽效能，在生理條件下具有優異的生物相容性。在NaCl溶液中，Mg的標準電極電位是所有結構金屬中最低的，而且表層疏松多孔，因此溶解速率高。因此，鎂基材料具有良好的結構和功能特性，是最有發展前途的輕量化材料之一，在交通運輸、航空航天、電子、能源和國防工業等領域備受關注。

目前，鎂基材料主要用作輕質結構材料，其功能性能尚未得到充分開發。開發具有綜合結構和功能性能的高性能鎂合金，對于解決關鍵結構部件的輕量化和功能化問題，緩解日益嚴峻的全球環境和能源危機具有重要意義。然而，鎂基材料的一些功能特性很難與強度同時實現，因為強度和功能特性通常源于兩種相互矛盾的機制。例如，高強度需要高密度的缺陷，如溶質原子、第二相等，以阻止位錯運動。然而，第二相和溶質原子引起晶格畸變，從而散射電子或聲子，這對導熱性和電磁干擾屏蔽效果是不利的;溶質原子對位錯的釘住作用降低了位錯的遷移率，從而降低了鎂合金的阻尼能力;某些強化溶質原子和第二相對鎂合金的表層和基體有顯著影響，影響鎂合金的耐火性和可溶性。因此，在鎂基材料的功能特性和強度之間有一個權衡。近年來，為了滿足工業的迫切需求，人們致力于開發高性能結構功能集成的鎂基材料。

本文綜述了近年來高分子材料在阻尼性能、導熱性能、屏蔽電磁干擾性能、阻燃性能和可溶解性等方面的研究進展。綜述了高性能結構功能集成鎂合金及其復合材料的最新研究進展，提出了今后結構功能集成鎂合金及其復合材料的研究方向。

哈爾濱工業大學材料科學與工程學院單位鄭明義作者對此進行了研究，相關研究成果以題Structure-function integrated magnesium alloys and their composites發表在Journal of Magnesium and Alloys期刊上

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.09.012

G-L模型是為“純”金屬而開發的，雜質的濃度相對較低。在合金中，位錯線可能被擴散到位錯核心的溶質原子所占據，在位錯核心中，它們找到位置能量較低的位置，被認為是不可移動的釘扎點。更一般地，晶體中的缺陷可以根據它們與位錯的相互作用分為兩種類型：第一種是一些真正不可移動的點缺陷，如位錯網絡節點和沉淀相，這種類型被稱為強釘扎點；另一種是弱釘扎點，如固溶體原子、空位和點缺陷。位錯-釘扎點相互作用(G-L模型)可以用圖1所示的模型來解釋。在低應力水平下，位錯在弱釘扎點之間發生彎曲運動。然而，當應力足夠高，足以克服弱釘扎點時，位錯開始在強釘扎點之間做倒數運動，導致位錯線的“脫釘-釘扎”，并產生顯著的振幅相關阻尼。

圖1

圖1. G-L模型示意圖。(a)由于施加的應力增加而使固定的位錯線彎曲。雜質釘住決定的環路長度用Lc表示，網絡決定的環路長度用LN表示。隨著應力的增加，循環Lc向外彎曲，直到分離發生。對于非常大的應力，根據弗蘭克-里德機制，位錯成倍增加。(b)實線為圖1(a)所示模型的應力應變規律。彈性應變已被減去，因此只顯示位錯應變。采用ABCDEF路徑增加應力，采用FA路徑減小應力。虛線曲線表示如果不是所有的循環都有相同的長度，但存在長度Lc的分布。

根據G-L理論，如果合金元素在鎂合金的固溶體中溶解，它們會成為位錯的弱釘釘點，影響鎂合金的振幅無關阻尼性能。圖2顯示了合金元素對二元鎂合金阻尼能力(對數衰減(δ))的影響。合金元素的溶解度對二元鎂合金的阻尼性能有重要影響。在二元鎂合金中加入Ni、Ca、Mn、Si、La等固溶度非常小的合金元素，使其具有較低的位錯脫離應力，從而具有極高的阻尼能力。特別是含Ni 0.1 ~ 0.2wt%的鎂合金，其阻尼性能明顯高于純Mg合金。而在Mg中加入Al、Cd、Nd等固溶度高的合金元素，由于位錯的遷移率大大降低，使Mg的阻尼能力急劇下降。隨著合金元素濃度的增加，鎂合金的阻尼能力明顯下降。

圖2

圖 2.合金元素對二元鎂合金阻尼性能的影響。(a):Mg-Ni;(b): Mg-Zr;(c): Mg-Mn;(d): Mg-Si; (e): Mg-La;(f): Mg-Ca;(g): Mg-Ce;(h): Mg-Al;(i):Mg-Cd;(j): Mg-Nd。

文獻報道的鎂合金阻尼能力和極限抗拉強度匯總如圖3所示。可以看出，Mg-RE合金具有優異的阻尼能力和強度。本章總結了最新開發的高阻尼性能(應變幅為1 × 10⁻³時Q−1 > 0.01)、強度大于300 MPa的鎂合金。

圖3

圖3.應變幅為10⁻³vs . Mg合金的極限抗拉強度時的阻尼能力。采用強制振動(單懸臂，f = 1 Hz，室溫)對不同商標的動態力學分析儀進行阻尼測量。

Mg-RE合金中形成的層錯導致合金具有較高的強度和阻尼能力。擠壓后含有層錯的Mg-4Er-4Gd-1 Zn合金和Mg-1.5Gd-1 Zn合金具有良好的強度、延展性和阻尼能力。擠壓后的Mg-1.5Gd-1 Zn合金在應變幅為10−3時，TYS為314 MPa, EL為21.0%，Q−1值為0.017，如圖4所示。含層錯的鎂合金的阻尼機理不符合G-L理論。除了位錯運動外，層錯還可能引入界面和位錯/團簇相互作用，從而導致Mg-RE合金具有高阻尼能力。

圖4

圖4.。擠壓態Mg-1.5Gd-1 Zn合金TEM-BF、HAADF-STEM圖像、EDS圖譜分析:(a, b, d-f) 300℃擠壓態，(c,g-i) 420℃擠壓態，(j)阻尼-應變幅值曲線，(k)拉伸應力-應變曲線。

圖5

圖5.MDF工藝前后ZK60合金(a)強化(b)阻尼機理示意圖[55]。

圖6

圖6. Mg-NiTi互穿相復合材料的制備及三維結構。(A) 3D打印鎳鈦諾支架制備Mg-NiTi互滲相復合材料的工藝示意圖，隨后用鎂熔體對支架進行無壓滲透。選擇性激光熔化。(B)滲透復合材料和(C)復合材料內菱形十二面體形式的鎳鈦諾增強體的x射線斷層掃描(XRT)體積圖，通過過濾鎂的信號獲得。

圖7

圖7.溶質原子對某些二元鎂合金導熱性能的影響:(a)無RE二元鎂合金和(b) Mg- RE二元合金。

圖8

圖8.晶格振動和雜質對電子的散射效應。

鎂合金是最具發展前景的輕量化結構功能一體化材料之一。本文綜述了鎂合金中各種功能特性背后的機制，如阻尼能力、導熱性、電磁屏蔽、阻燃性和可溶解性。它還討論了強度和功能特性之間的權衡。近年來，通過對溶質原子、第二相、晶界和織構對鎂合金力學性能和功能性能影響的深入了解，通過優化化學成分和加工工藝，開發出了具有優異綜合性能的新型組織功能一體化鎂合金及其復合材料。綜述了近年來發展起來的結構功能一體化鎂合金及其復合材料，包括具有高阻尼能力、高導熱性、強電磁屏蔽效能、優異阻燃性、高溶解率的高強鎂基材料。在目前開發的合金中，含有長周期有序堆積相(LPSO)和堆積缺陷(SF)的Mg- re - tm(過渡金屬)合金有望成為高強度、高阻尼的鎂合金。Mg-Zn-X和Mg-Mn-La /Ce系列合金具有優異的導熱性和高強度。Mg-Y/Gd-X和Mg-Zn-RE合金具有較高的導電性和通過析出不同類型的第二相而增加的界面，具有優異的電磁屏蔽性能和較高的強度。含有C36相的Mg-Al-Ca合金和含有LPSO相的Mg-RE合金由于形成致密的保護性氧化膜和顯著的析出強化而具有優異的耐燃性和高強度。Mg-RE-Ni/Cu合金是理想的高強度可溶鎂合金。此外，添加具有特定功能性能的增強劑可以顯著提高鎂合金的功能性能和強度。概述了今后結構-功能集成鎂基材料研究的重點:鎂合金力學性能和功能性能及其耦合效應的機理需要通過實驗研究和理論模擬進一步闡明。重點研究了LPSO、Laves相、SFs、孿晶、扭結帶、有序和聚類結構等新相和缺陷對鎂合金力學和功能性能的影響機制。考慮微觀組織對鎂合金力學性能和功能性能的影響，建立鎂合金力學性能和功能性能的定量預測模型。使用原子、中尺度和連續體建模技術的多尺度建模方法可以為控制鎂合金性能的潛在機制提供有價值的見解。