重磅顶刊综述IF48.165 ：多功能金属基纳米复合材料的最新研究进展！

2022-10-24 13:43:44 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

纳米复合材料是一种工程材料，由一个包含一个或多个纳米结构成分的基体组成，称为填料，与基体相比具有不同的物理和化学性质。纳米材料填料被添加到聚合物、陶瓷或金属基质中，以改善其结构或功能性能。在各种纳米复合材料中，金属基纳米复合材料（MMNCs）得到了广泛的研究，其具有优异的强度、模量韧性和热稳定性。除了结构应用之外，基于可调的热、催化和生物兼容性能。然而，与以往主要关注结构应用的综述相比，MMNCs在多功能应用方面的扩展发展尚未得到彻底的评述。

一般来说，各种金属或合金，如铝、镁、钛和铜已被采用作为MMNCs的基质。铝合金因其质量轻、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，成为研究最广泛的MMNCs基体材料。Mg和Mg合金是最轻的结构合金，由于Mg合金是易于回收、高效能和天然丰富的材料，也是结构MMNCs的常用基体。铜和铜合金由于其高导电性，通常被选为电子应用的基体。Ti和Ti合金因其良好的生物相容性和力学性能被用作修复或替换人体骨骼的生物医学材料。

金属基复合材料的纳米填充材料种类繁多。填料的选择取决于金属基体，所需的性能，制造工艺和应用领域。一般来说，纳米填料的基本要求包括优异的固有性能和与基体良好的化学相容性的结合。陶瓷颗粒、碳同素异形体和金属或陶瓷纤维是MMCS的著名填料。纳米填料的类型是影响MMCS性能的另一个重要变量。纳米填料主要有三种类型:纳米颗粒的0-D填料，纳米管或纳米纤维的1-D填料，纳米片或纳米片的2-D填料。此外，纳米填料的尺寸、形状、纵横比和体积分数对MMCS的性能有显著影响。填料的选择需要根据所需性能和生产成本之间的平衡来决定。

虽然传统的多层复合材料具有良好的结构应用性能，但由于增强的强化效应，如Orowan强化、载荷转移、Hall-Petch、热膨胀系数（CTE）失配和模量失配，多层复合材料有望表现出比多层复合材料更好的性能。微米级填料已被用于增强MMCS的强度，但随着填料的增加，其延性降低。相比之下，纳米填料可以显著提高强度、抗蠕变性能和疲劳寿命，而不会显著降低塑性。由于纳米填料的固有特性，在CTE、导热和导电性能、传感性能和摩擦学性能等功能特性方面，MMNCs比MMCs具有各种优势。

在最初的研究阶段，MMNCs的设计和开发主要集中在提高结构应用的力学性能。纳米陶瓷颗粒或纤维已广泛应用于第一代金属纳米材料的填充，并成功地改善了金属材料的力学性能。此外，要求填料具有高导热率和低CTE，以开发电子封装中的组件。在这方面，碳同素异形体因其具有高导热系数、低CTE以及优异的力学和摩擦学性能，如强度、模量和自润滑性能而受到广泛关注。纳米尺寸的碳同素异体，如碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯，已被广泛研究作为新型MMNCs的填料，以同时增强电学、力学和摩擦学性能。

自过去十年以来，使用纳米粒子（NP）、纳米纤维、碳纳米管和石墨烯作为金属基体填料的研究已经开展了大量。尽管有这样的研究，将纳米材料融入金属基质仍然具有挑战性。填料与金属基体之间的低润湿性，阻碍了传统铸造工艺的大规模生产，通常会导致纳米填料的不均匀分布。纳米结构碳填料的化学稳定性差，以及在高温下与金属基体的界面反应对MMNCs的加工也是至关重要的。最大的挑战之一是开发均匀分散的纳米材料，在金属基体中具有高比表面能。纳米材料的高比表面能形成团簇，不能有效阻止位错运动，从而显著降低了填料的强化效果。因此，韩国科学技术院Ho Jin Ryu、Soon Hyung Hong团队为了克服传统的液体或固态工艺的挑战，提出了分子级混合（MLM）、液体中预搅拌粉末和金属浸润等制备MMNCs的新工艺。

相关研究成果以题“Recent Progress in Low-dimensional Nanomaterials Filled Multifunctional Metal Matrix Nanocomposites”发表在国际著名期刊Progress in Materials Science上。

链接：

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

图 1

MMNC的制造工艺，微观结构，性能和应用。MWNT/AZ91纳米复合材料通过用0.1wt%和1.0 wt%MWNT熔融搅拌。3wt%的GNP / AZ31纳米复合材料通过搅拌铸造。1.3 wt%碳纳米级碳纳米管/镁纳米复合材料。10 vol. %CNT/Al纳米复合材料的蚀刻表面和断裂表面采用渗透技术.提出了界面结构和相间形成过程。与石墨烯平行和垂直方向的导热系数是碳的体积分数的函数。杂化石墨烯-FLG银环氧复合材料的导热系数随温度变化。Ag和Ag/石墨烯的循环伏安图和动电位极化曲线，以及石墨烯辅助铜复合材料上天然氧化铜形成的示意图。用于发动机活塞环的CNT/Al-Si功能分级纳米复合材料。铸型碳纳米复合钢坯，碳纳米复合物，碳纳米管含量0.4%，插页：碳纳米管/铝轮。锌镓? - 用于高性能轻质应用的 CNT/Al 纳米复合材料（ZoZ GmbH）。（b）制造的H2传感器。（c）三硫化氢传感器。（d）有毒气体传感器。

图 2

用于制造 MMNC 材料的加工方法

图 3

物理过程的示意图。（a）固态，（b）液态和（c）气体状态过程。

图 4

（a）原位催化CVD工艺直接在铝表面生长碳纳米管（b）晶粒生长受控的CVD工艺。

图 5

化学过程（a）功能化过程（b）溶液混合过程，和（c）分子级混合过程的示意图。

图 6

制备rGO/Cu纳米复合材料的分子级混合过程示意图;（a）原始石墨，（b）Hummers法 GO，（c）铜盐在 GO 溶液中的分散，（d） GO 上铜离子氧化为氧化铜。（e）还原氧化铜和GO，（f）烧结的rGO/Cu纳米复合粉末。

图 7

新兴流程示意图;（a）摩擦搅拌工艺，（b） 3D打印，和（c）冷气动态喷雾。

图 8

摩擦搅拌过程示意图

图9

BNNS 和铜矩阵之间界面的 EDS 图像。（b）铜、O、N 和 B 的单相间和 EDS 谱（b）铜、O、N 和 B 的双相间和 EDAX 谱。

图10

MMNC潜在功能应用概述

MMNCs具有优越的力学性能、导热性和导电性、耐磨性和耐腐蚀性等。MMNCs被广泛用作汽车、航空航天、体育和机械等应用领域的结构材料，以及热管理系统、传感器、电子和生物医学设备等应用领域的功能材料。此外，MMNCs的组成可以根据特定的应用来设计其多功能特性。例如，当需要电绝缘时，BN纳米填料可以替代石墨烯。MMNCs提供了广泛的金属基体和纳米填料的选择，以满足特定应用的性能要求。新兴的工艺，如3-D打印方法，使开发具有复杂形状的产品由多功能的MMNCs，然而，很难用上述传统方法制备具有复杂形状和优异性能的MMNCs。尽管在目前的技术水平下，开发大规模的MMNCs制造工艺可能具有挑战性，但MMNCs及其制造工艺的开发将考虑到这些问题，以促进目前无法使用MMNCs的行业中扩大使用。

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