隨著科技的不斷進步，金屬基復合材料(MMCs)因其優異的機械性能和物理特性在航空航天、汽車制造和電子行業中得到了廣泛應用。納米碳材料，如石墨烯(Gr)和碳納米管(CNTs)，因其優異的機械和物理性能被視為理想的增強材料。然而，具有均勻構型的非連續納米碳增強MMCs由于其各向異性的納米碳幾何形狀和弱的碳-金屬界面結合，無法最大限度地發揮增強材料與基體之間的協同耦合效果。近年來，具有非均勻結構的納米碳增強MMCs，包括疊層、三維網狀、定向和分級結構，可以有效提高復合材料的整體性能。

上海理工大學詹科副教授團隊對納米碳增強金屬基復合材料構型設計及其性能研究進展開展了系統總結與歸納，相關研究成果以題為“Recent progress in architecture design of nanocarbon-reinforced metal matrix composites and their properties: A review”發表在Carbon期刊上。論文第一作者為碩士研究生劉佳楠，詹科副教授為通訊作者，上海理工大學為第一通訊單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119382

論文詳細探討了納米碳增強金屬基復合材料的結構設計及其性能的最新進展，系統總結了具有疊層、三維網狀、定向和分級結等非均勻構型的納米碳增強MMCs的制備方法，分析了不同結構的復合材料的力學性能、導電性能以及結構-性能關系。最后，概述了納米碳增強MMCs結構設計可能的研究方向和面臨的挑戰。

該研究不僅為納米碳增強金屬基復合材料的結構設計提供了借鑒，而且通過優化材料結構，有望進一步提高復合材料的性能，滿足更高技術要求的應用場景。此外，通過非均勻構型來增強納米碳與金屬基體之間的協同效應，這對于推動金屬基復合材料的研發以及在高科技領域的應用具有重要意義。

一、具有疊層結構的納米碳增強金屬基復合材料的制備及其性能

論文總結了具有宏觀疊層結構和微納疊層結構的納米碳增強MMCs的制備方法。對于層狀復合材料，其微觀組織和性能表現出明顯的各向異性，沿增強體排列方向的改善效率相對較高。同時，可以通過控制層中各組分的厚度和界面修飾來提高性能。這種類型的納米碳增強疊層復合材料具有高強度和韌性。

圖1. 具有疊層結構的納米碳增強MMCs的制備方法

二、具有三維網狀結構的納米碳增強金屬基復合材料的制備及其性能

三維網狀結構被設計為各向同性的，是最有希望實現力學和導電性能協同提高的結構。與純金屬相比，具有三維網狀結構的金屬基復合材料的力學和導電性能都得到了改善。除了納米碳增強體的質量外，還可以通過優化三維網狀結構的連續性、界面結合和增強材料含量等，進一步提高增強效率。在應用方面，具有三維網狀結構的納米碳/金屬基復合材料可作為重要的結構功能材料，在航空航天、汽車和運輸業以及電子封裝等領域具有巨大的應用潛力。

圖2. 具有三維網狀結構的納米碳增強MMCs的制備方法

三、具有定向結構的納米碳增強金屬基復合材料的制備及其性能

具有定向結構的復合材料中的增強體以高度有序的結構排列，這種結構有助于提高納米碳增強體（如非連續式 MMCs 中的一維 CNTs 或二維 Gr）的增強效率。這種構型結構，可使復合材料在設計方向上獲得高強度，不僅強度和韌性得到了提高，剛度也得到了改善。這些具有定向結構的納米碳增強 MMCs 可用于航空航天或汽車行業。

圖3. 具有定向結構的納米碳增強MMCs的制備方法

四、具有分級結構的納米碳增強金屬基復合材料的制備及其性能

分級復合材料由兩個或多個組成相組成，具有多層次的微觀結構。據報道，粉末冶金和分子水平混合法是制備具有分級結構的CNTs和Gr增強MMCs的有效的方法，可以獲得良好的力學性能。具有分級結構的復合材料的主要特征是具有多級的微觀組織，不僅可以保持高強度，而且可以進一步提高韌性。這種結構可用于需要高強度和韌性的領域。

納米碳增強金屬基復合材料展望

(1) 開發低成本、可規模化的納米碳增強金屬基復合材料制造方法：制備非均勻結構的塊狀納米碳增強MMCs的主要方法為粉末冶金，其工藝耗時且相對復雜，同時結構的完整性會受到破壞，在制備過程中還可能發生強烈的界面反應。因此，在制備過程中，應更加關注構型結構的演變和界面微結構的變化。此外，利用增材制造工藝制備具有特殊構型結構的 MMCs 是一種值得探索的途徑。

(2) 設計更精細、更實用的構型結構，進一步提高復合材料的整體性能：目前報道的構型一般都是單一構型結構，復合材料的性能仍然有限。開發包括兩種或兩種以上基本構型結構的新型復雜結構有望實現更好的綜合性能。此外，利用人工智能實現新構型結構的設計和優化也是研究的重要方向之一。

(3) 研究不同構型結構的關鍵結構參數對復合材料性能的影響：隨著原位表征方法的發展，利用先進的表征方法可以在較小的范圍內詳細研究復合材料中納米碳的空間分布對其機械行為和功能特性的影響。

(4) 建立各種結構的理論計算模型：DFT和MD方法在內的理論計算用于研究碳-金屬界面之間的基本相互作用,有限元模型可用于研究構型結構對 MMCs整體性能的影響。然而，目前仍缺乏準確的理論來預測不同構型結構的納米碳增強 MMCs 的電/熱性能，這可能是由于影響這些復合材料中電子/聲子傳輸的因素非常復雜。利用先進的微結構表征方法獲得特定構型結構復合材料的精確參數，有望提高理論計算的準確性。