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重磅頂刊綜述IF48.165 ：多功能金屬基納米復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展！

2022-10-24 13:43:44 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

納米復(fù)合材料是一種工程材料，由一個(gè)包含一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)。納米材料填料被添加到聚合物、陶瓷或金屬基質(zhì)中，以改善其結(jié)構(gòu)或功能性能。在各種納米復(fù)合材料中，金屬基納米復(fù)合材料（MMNCs）得到了廣泛的研究，其具有優(yōu)異的強(qiáng)度、模量韌性和熱穩(wěn)定性。除了結(jié)構(gòu)應(yīng)用之外，基于可調(diào)的熱、催化和生物兼容性能。然而，與以往主要關(guān)注結(jié)構(gòu)應(yīng)用的綜述相比，MMNCs在多功能應(yīng)用方面的擴(kuò)展發(fā)展尚未得到徹底的評(píng)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(zhì)。鋁合金因其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為研究最廣泛的MMNCs基體材料。Mg和Mg合金是最輕的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)MMNCs的常用基體。銅和銅合金由于其高導(dǎo)電性，通常被選為電子應(yīng)用的基體。Ti和Ti合金因其良好的生物相容性和力學(xué)性能被用作修復(fù)或替換人體骨骼的生物醫(yī)學(xué)材料。

金屬基復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域。一般來說，納米填料的基本要求包括優(yōu)異的固有性能和與基體良好的化學(xué)相容性的結(jié)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(gè)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?jǐn)?shù)對(duì)MMCS的性能有顯著影響。填料的選擇需要根據(jù)所需性能和生產(chǎn)成本之間的平衡來決定。

雖然傳統(tǒng)的多層復(fù)合材料具有良好的結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能，但由于增強(qiáng)的強(qiáng)化效應(yīng)，如Orowan強(qiáng)化、載荷轉(zhuǎn)移、Hall-Petch、熱膨脹系數(shù)（CTE）失配和模量失配，多層復(fù)合材料有望表現(xiàn)出比多層復(fù)合材料更好的性能。微米級(jí)填料已被用于增強(qiáng)MMCS的強(qiáng)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(qiáng)度、抗蠕變性能和疲勞壽命，而不會(huì)顯著降低塑性。由于納米填料的固有特性，在CTE、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能、傳感性能和摩擦學(xué)性能等功能特性方面，MMNCs比MMCs具有各種優(yōu)勢(shì)。

在最初的研究階段，MMNCs的設(shè)計(jì)和開發(fā)主要集中在提高結(jié)構(gòu)應(yīng)用的力學(xué)性能。納米陶瓷顆粒或纖維已廣泛應(yīng)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(xué)性能。此外，要求填料具有高導(dǎo)熱率和低CTE，以開發(fā)電子封裝中的組件。在這方面，碳同素異形體因其具有高導(dǎo)熱系數(shù)、低CTE以及優(yōu)異的力學(xué)和摩擦學(xué)性能，如強(qiáng)度、模量和自潤滑性能而受到廣泛關(guān)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(shí)增強(qiáng)電學(xué)、力學(xué)和摩擦學(xué)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(jīng)開展了大量。盡管有這樣的研究，將納米材料融入金屬基質(zhì)仍然具有挑戰(zhàn)性。填料與金屬基體之間的低潤濕性，阻礙了傳統(tǒng)鑄造工藝的大規(guī)模生產(chǎn)，通常會(huì)導(dǎo)致納米填料的不均勻分布。納米結(jié)構(gòu)碳填料的化學(xué)穩(wěn)定性差，以及在高溫下與金屬基體的界面反應(yīng)對(duì)MMNCs的加工也是至關(guān)重要的。最大的挑戰(zhàn)之一是開發(fā)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(tuán)簇，不能有效阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而顯著降低了填料的強(qiáng)化效果。因此，韓國科學(xué)技術(shù)院Ho Jin Ryu、Soon Hyung Hong團(tuán)隊(duì)為了克服傳統(tǒng)的液體或固態(tài)工藝的挑戰(zhàn)，提出了分子級(jí)混合（MLM）、液體中預(yù)攪拌粉末和金屬浸潤等制備MMNCs的新工藝。

相關(guān)研究成果以題“Recent Progress in Low-dimensional Nanomaterials Filled Multifunctional Metal Matrix Nanocomposites”發(fā)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(jié)構(gòu)，性能和應(yīng)用。MWNT/AZ91納米復(fù)合材料通過用0.1wt%和1.0 wt%MWNT熔融攪拌。3wt%的GNP / AZ31納米復(fù)合材料通過攪拌鑄造。1.3 wt%碳納米級(jí)碳納米管/鎂納米復(fù)合材料。10 vol. %CNT/Al納米復(fù)合材料的蝕刻表面和斷裂表面采用滲透技術(shù).提出了界面結(jié)構(gòu)和相間形成過程。與石墨烯平行和垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)是碳的體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。雜化石墨烯-FLG銀環(huán)氧復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化。Ag和Ag/石墨烯的循環(huán)伏安圖和動(dòng)電位極化曲線，以及石墨烯輔助銅復(fù)合材料上天然氧化銅形成的示意圖。用于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的CNT/Al-Si功能分級(jí)納米復(fù)合材料。鑄型碳納米復(fù)合鋼坯，碳納米復(fù)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(zhì)應(yīng)用的 CNT/Al 納米復(fù)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(tài)，（b）液態(tài)和（c）氣體狀態(tài)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(xué)過程（a）功能化過程（b）溶液混合過程，和（c）分子級(jí)混合過程的示意圖。

圖 6

制備rGO/Cu納米復(fù)合材料的分子級(jí)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(jié)的rGO/Cu納米復(fù)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(dòng)態(tài)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(yīng)用概述

MMNCs具有優(yōu)越的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性和導(dǎo)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(jī)械等應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料，以及熱管理系統(tǒng)、傳感器、電子和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域的功能材料。此外，MMNCs的組成可以根據(jù)特定的應(yīng)用來設(shè)計(jì)其多功能特性。例如，當(dāng)需要電絕緣時(shí)，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(yīng)用的性能要求。新興的工藝，如3-D打印方法，使開發(fā)具有復(fù)雜形狀的產(chǎn)品由多功能的MMNCs，然而，很難用上述傳統(tǒng)方法制備具有復(fù)雜形狀和優(yōu)異性能的MMNCs。盡管在目前的技術(shù)水平下，開發(fā)大規(guī)模的MMNCs制造工藝可能具有挑戰(zhàn)性，但MMNCs及其制造工藝的開發(fā)將考慮到這些問題，以促進(jìn)目前無法使用MMNCs的行業(yè)中擴(kuò)大使用。

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