隨著科技的不斷進步，金屬基復合材料(MMCs)因其優(yōu)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(yè)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(yōu)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(gòu)型的非連續(xù)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(jié)合，無法最大限度地發(fā)揮增強材料與基體之間的協(xié)同耦合效果。近年來，具有非均勻結(jié)構(gòu)的納米碳增強MMCs，包括疊層、三維網(wǎng)狀、定向和分級結(jié)構(gòu)，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(gòu)型設計及其性能研究進展開展了系統(tǒng)總結(jié)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(fā)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(jié)構(gòu)設計及其性能的最新進展，系統(tǒng)總結(jié)了具有疊層、三維網(wǎng)狀、定向和分級結(jié)等非均勻構(gòu)型的納米碳增強MMCs的制備方法，分析了不同結(jié)構(gòu)的復合材料的力學性能、導電性能以及結(jié)構(gòu)-性能關系。最后，概述了納米碳增強MMCs結(jié)構(gòu)設計可能的研究方向和面臨的挑戰(zhàn)。

該研究不僅為納米碳增強金屬基復合材料的結(jié)構(gòu)設計提供了借鑒，而且通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，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(gòu)型來增強納米碳與金屬基體之間的協(xié)同效應，這對于推動金屬基復合材料的研發(fā)以及在高科技領域的應用具有重要意義。

一、具有疊層結(jié)構(gòu)的納米碳增強金屬基復合材料的制備及其性能

論文總結(jié)了具有宏觀疊層結(jié)構(gòu)和微納疊層結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的納米碳增強MMCs的制備方法

二、具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米碳增強金屬基復合材料的制備及其性能

三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被設計為各向同性的，是最有希望實現(xiàn)力學和導電性能協(xié)同提高的結(jié)構(gòu)。與純金屬相比，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(zhì)量外，還可以通過優(yōu)化三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、界面結(jié)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米碳/金屬基復合材料可作為重要的結(jié)構(gòu)功能材料，在航空航天、汽車和運輸業(yè)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米碳增強MMCs的制備方法

三、具有定向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的復合材料中的增強體以高度有序的結(jié)構(gòu)排列，這種結(jié)構(gòu)有助于提高納米碳增強體（如非連續(xù)式 MMCs 中的一維 CNTs 或二維 Gr）的增強效率。這種構(gòu)型結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的納米碳增強 MMCs 可用于航空航天或汽車行業(yè)。

圖3. 具有定向結(jié)構(gòu)的納米碳增強MMCs的制備方法

四、具有分級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。據(jù)報道，粉末冶金和分子水平混合法是制備具有分級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)低成本、可規(guī)?；募{米碳增強金屬基復合材料制造方法：制備非均勻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的完整性會受到破壞，在制備過程中還可能發(fā)生強烈的界面反應。因此，在制備過程中，應更加關注構(gòu)型結(jié)構(gòu)的演變和界面微結(jié)構(gòu)的變化。此外，利用增材制造工藝制備具有特殊構(gòu)型結(jié)構(gòu)的 MMCs 是一種值得探索的途徑。

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

(3) 研究不同構(gòu)型結(jié)構(gòu)的關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對復合材料性能的影響：隨著原位表征方法的發(fā)展，利用先進的表征方法可以在較小的范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)的理論計算模型：DFT和MD方法在內(nèi)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(gòu)型結(jié)構(gòu)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(gòu)型結(jié)構(gòu)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?shù)囊蛩胤浅碗s。利用先進的微結(jié)構(gòu)表征方法獲得特定構(gòu)型結(jié)構(gòu)復合材料的精確參數(shù)，有望提高理論計算的準確性。