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重磅頂刊綜述IF48.165 ：多功能金屬基納米復合材料的最新研究進展！

2022-10-24 13:43:44 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

納米復合材料是一種工程材料，由一個包含一個或多個納米結構成分的基體組成，稱為填料，與基體相比具有不同的物理和化學性質。納米材料填料被添加到聚合物、陶瓷或金屬基質中，以改善其結構或功能性能。在各種納米復合材料中，金屬基納米復合材料（MMNCs）得到了廣泛的研究，其具有優異的強度、模量韌性和熱穩定性。除了結構應用之外，基于可調的熱、催化和生物兼容性能。然而，與以往主要關注結構應用的綜述相比，MMNCs在多功能應用方面的擴展發展尚未得到徹底的評述。

一般來說，各種金屬或合金，如鋁、鎂、鈦和銅已被采用作為MMNCs的基質。鋁合金因其質量輕、比強度高、耐腐蝕性能好等優點，成為研究最廣泛的MMNCs基體材料。Mg和Mg合金是最輕的結構合金，由于Mg合金是易于回收、高效能和天然豐富的材料，也是結構MMNCs的常用基體。銅和銅合金由于其高導電性，通常被選為電子應用的基體。Ti和Ti合金因其良好的生物相容性和力學性能被用作修復或替換人體骨骼的生物醫學材料。

金屬基復合材料的納米填充材料種類繁多。填料的選擇取決于金屬基體，所需的性能，制造工藝和應用領域。一般來說，納米填料的基本要求包括優異的固有性能和與基體良好的化學相容性的結合。陶瓷顆粒、碳同素異形體和金屬或陶瓷纖維是MMCS的著名填料。納米填料的類型是影響MMCS性能的另一個重要變量。納米填料主要有三種類型:納米顆粒的0-D填料，納米管或納米纖維的1-D填料，納米片或納米片的2-D填料。此外，納米填料的尺寸、形狀、縱橫比和體積分數對MMCS的性能有顯著影響。填料的選擇需要根據所需性能和生產成本之間的平衡來決定。

雖然傳統的多層復合材料具有良好的結構應用性能，但由于增強的強化效應，如Orowan強化、載荷轉移、Hall-Petch、熱膨脹系數（CTE）失配和模量失配，多層復合材料有望表現出比多層復合材料更好的性能。微米級填料已被用于增強MMCS的強度，但隨著填料的增加，其延性降低。相比之下，納米填料可以顯著提高強度、抗蠕變性能和疲勞壽命，而不會顯著降低塑性。由于納米填料的固有特性，在CTE、導熱和導電性能、傳感性能和摩擦學性能等功能特性方面，MMNCs比MMCs具有各種優勢。

在最初的研究階段，MMNCs的設計和開發主要集中在提高結構應用的力學性能。納米陶瓷顆?；蚶w維已廣泛應用于第一代金屬納米材料的填充，并成功地改善了金屬材料的力學性能。此外，要求填料具有高導熱率和低CTE，以開發電子封裝中的組件。在這方面，碳同素異形體因其具有高導熱系數、低CTE以及優異的力學和摩擦學性能，如強度、模量和自潤滑性能而受到廣泛關注。納米尺寸的碳同素異體，如碳納米纖維、碳納米管和石墨烯，已被廣泛研究作為新型MMNCs的填料，以同時增強電學、力學和摩擦學性能。

自過去十年以來，使用納米粒子（NP）、納米纖維、碳納米管和石墨烯作為金屬基體填料的研究已經開展了大量。盡管有這樣的研究，將納米材料融入金屬基質仍然具有挑戰性。填料與金屬基體之間的低潤濕性，阻礙了傳統鑄造工藝的大規模生產，通常會導致納米填料的不均勻分布。納米結構碳填料的化學穩定性差，以及在高溫下與金屬基體的界面反應對MMNCs的加工也是至關重要的。最大的挑戰之一是開發均勻分散的納米材料，在金屬基體中具有高比表面能。納米材料的高比表面能形成團簇，不能有效阻止位錯運動，從而顯著降低了填料的強化效果。因此，韓國科學技術院Ho Jin Ryu、Soon Hyung Hong團隊為了克服傳統的液體或固態工藝的挑戰，提出了分子級混合（MLM）、液體中預攪拌粉末和金屬浸潤等制備MMNCs的新工藝。

相關研究成果以題“Recent Progress in Low-dimensional Nanomaterials Filled Multifunctional Metal Matrix Nanocomposites”發表在國際著名期刊Progress in Materials Science上。

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0079642522001153

圖 1

MMNC的制造工藝，微觀結構，性能和應用。MWNT/AZ91納米復合材料通過用0.1wt%和1.0 wt%MWNT熔融攪拌。3wt%的GNP / AZ31納米復合材料通過攪拌鑄造。1.3 wt%碳納米級碳納米管/鎂納米復合材料。10 vol. %CNT/Al納米復合材料的蝕刻表面和斷裂表面采用滲透技術.提出了界面結構和相間形成過程。與石墨烯平行和垂直方向的導熱系數是碳的體積分數的函數。雜化石墨烯-FLG銀環氧復合材料的導熱系數隨溫度變化。Ag和Ag/石墨烯的循環伏安圖和動電位極化曲線，以及石墨烯輔助銅復合材料上天然氧化銅形成的示意圖。用于發動機活塞環的CNT/Al-Si功能分級納米復合材料。鑄型碳納米復合鋼坯，碳納米復合物，碳納米管含量0.4%，插頁：碳納米管/鋁輪。鋅鎵? - 用于高性能輕質應用的 CNT/Al 納米復合材料（ZoZ GmbH）。（b）制造的H2傳感器。（c）三硫化氫傳感器。（d）有毒氣體傳感器。

圖 2

用于制造 MMNC 材料的加工方法

圖 3

物理過程的示意圖。（a）固態，（b）液態和（c）氣體狀態過程。

圖 4

（a）原位催化CVD工藝直接在鋁表面生長碳納米管（b）晶粒生長受控的CVD工藝。

圖 5

化學過程（a）功能化過程（b）溶液混合過程，和（c）分子級混合過程的示意圖。

圖 6

制備rGO/Cu納米復合材料的分子級混合過程示意圖;（a）原始石墨，（b）Hummers法 GO，（c）銅鹽在 GO 溶液中的分散，（d） GO 上銅離子氧化為氧化銅。（e）還原氧化銅和GO，（f）燒結的rGO/Cu納米復合粉末。

圖 7

新興流程示意圖;（a）摩擦攪拌工藝，（b） 3D打印，和（c）冷氣動態噴霧。

圖 8

摩擦攪拌過程示意圖

圖9

BNNS 和銅矩陣之間界面的 EDS 圖像。（b）銅、O、N 和 B 的單相間和 EDS 譜（b）銅、O、N 和 B 的雙相間和 EDAX 譜。

圖10

MMNC潛在功能應用概述

MMNCs具有優越的力學性能、導熱性和導電性、耐磨性和耐腐蝕性等。MMNCs被廣泛用作汽車、航空航天、體育和機械等應用領域的結構材料，以及熱管理系統、傳感器、電子和生物醫學設備等應用領域的功能材料。此外，MMNCs的組成可以根據特定的應用來設計其多功能特性。例如，當需要電絕緣時，BN納米填料可以替代石墨烯。MMNCs提供了廣泛的金屬基體和納米填料的選擇，以滿足特定應用的性能要求。新興的工藝，如3-D打印方法，使開發具有復雜形狀的產品由多功能的MMNCs，然而，很難用上述傳統方法制備具有復雜形狀和優異性能的MMNCs。盡管在目前的技術水平下，開發大規模的MMNCs制造工藝可能具有挑戰性，但MMNCs及其制造工藝的開發將考慮到這些問題，以促進目前無法使用MMNCs的行業中擴大使用。

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