哈尔滨工业大学镁合金顶刊：结构功能一体化镁合金及其复合材料

导读：镁基材料不仅具有低密度、高比强度等优良特性，而且具有高阻尼、高导热、高电磁干扰屏蔽能力、阻燃性、可溶解性等优异的功能特性。然而，如何在强度和功能之间取得平衡仍然是镁合金界面临的一个重大挑战。通常，强度取决于阻碍位错运动的溶质原子和第二相等缺陷的钉住作用。另一方面，最佳的功能特性通常需要相对完美的晶体结构，因为溶质原子和第二相的存在会对阻尼能力和导热性产生不利影响。平衡这些相互冲突的需求是困难的。镁合金的强度和功能之间的权衡应该打破，以满足航空航天、汽车、3C(计算机、通信和消费电子)和能源行业对高性能结构功能集成的镁基材料的迫切需求。本文综述了镁合金功能性能的机理和影响因素的研究进展。讨论了镁合金强度与功能之间权衡的机制。综述了近年来发展起来的结构功能一体化镁合金及其复合材料，包括具有高阻尼性能、高导热性能、强电磁屏蔽性能、优异阻燃性能、高溶解速率的高强镁基材料。提出了今后发展结构功能一体化镁基材料的工作方向。

镁是市售结构金属中密度最低、比强度和比刚度较高的金属。此外，Mg还具有一些独特的功能性质。例如，Mg具有非常高的阻尼能力和减震性能，高导热性，电磁屏蔽效能，在生理条件下具有优异的生物相容性。在NaCl溶液中，Mg的标准电极电位是所有结构金属中最低的，而且表层疏松多孔，因此溶解速率高。因此，镁基材料具有良好的结构和功能特性，是最有发展前途的轻量化材料之一，在交通运输、航空航天、电子、能源和国防工业等领域备受关注。

目前，镁基材料主要用作轻质结构材料，其功能性能尚未得到充分开发。开发具有综合结构和功能性能的高性能镁合金，对于解决关键结构部件的轻量化和功能化问题，缓解日益严峻的全球环境和能源危机具有重要意义。然而，镁基材料的一些功能特性很难与强度同时实现，因为强度和功能特性通常源于两种相互矛盾的机制。例如，高强度需要高密度的缺陷，如溶质原子、第二相等，以阻止位错运动。然而，第二相和溶质原子引起晶格畸变，从而散射电子或声子，这对导热性和电磁干扰屏蔽效果是不利的;溶质原子对位错的钉住作用降低了位错的迁移率，从而降低了镁合金的阻尼能力;某些强化溶质原子和第二相对镁合金的表层和基体有显著影响，影响镁合金的耐火性和可溶性。因此，在镁基材料的功能特性和强度之间有一个权衡。近年来，为了满足工业的迫切需求，人们致力于开发高性能结构功能集成的镁基材料。

本文综述了近年来高分子材料在阻尼性能、导热性能、屏蔽电磁干扰性能、阻燃性能和可溶解性等方面的研究进展。综述了高性能结构功能集成镁合金及其复合材料的最新研究进展，提出了今后结构功能集成镁合金及其复合材料的研究方向。

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院单位郑明义作者对此进行了研究，相关研究成果以题Structure-function integrated magnesium alloys and their composites发表在Journal of Magnesium and Alloys期刊上

链接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.09.012

G-L模型是为“纯”金属而开发的，杂质的浓度相对较低。在合金中，位错线可能被扩散到位错核心的溶质原子所占据，在位错核心中，它们找到位置能量较低的位置，被认为是不可移动的钉扎点。更一般地，晶体中的缺陷可以根据它们与位错的相互作用分为两种类型：第一种是一些真正不可移动的点缺陷，如位错网络节点和沉淀相，这种类型被称为强钉扎点；另一种是弱钉扎点，如固溶体原子、空位和点缺陷。位错-钉扎点相互作用(G-L模型)可以用图1所示的模型来解释。在低应力水平下，位错在弱钉扎点之间发生弯曲运动。然而，当应力足够高，足以克服弱钉扎点时，位错开始在强钉扎点之间做倒数运动，导致位错线的“脱钉-钉扎”，并产生显著的振幅相关阻尼。

图1. G-L模型示意图。(a)由于施加的应力增加而使固定的位错线弯曲。杂质钉住决定的环路长度用Lc表示，网络决定的环路长度用LN表示。随着应力的增加，循环Lc向外弯曲，直到分离发生。对于非常大的应力，根据弗兰克-里德机制，位错成倍增加。(b)实线为图1(a)所示模型的应力应变规律。弹性应变已被减去，因此只显示位错应变。采用ABCDEF路径增加应力，采用FA路径减小应力。虚线曲线表示如果不是所有的循环都有相同的长度，但存在长度Lc的分布。

根据G-L理论，如果合金元素在镁合金的固溶体中溶解，它们会成为位错的弱钉钉点，影响镁合金的振幅无关阻尼性能。图2显示了合金元素对二元镁合金阻尼能力(对数衰减(δ))的影响。合金元素的溶解度对二元镁合金的阻尼性能有重要影响。在二元镁合金中加入Ni、Ca、Mn、Si、La等固溶度非常小的合金元素，使其具有较低的位错脱离应力，从而具有极高的阻尼能力。特别是含Ni 0.1 ~ 0.2wt%的镁合金，其阻尼性能明显高于纯Mg合金。而在Mg中加入Al、Cd、Nd等固溶度高的合金元素，由于位错的迁移率大大降低，使Mg的阻尼能力急剧下降。随着合金元素浓度的增加，镁合金的阻尼能力明显下降。

图2.合金元素对二元镁合金阻尼性能的影响。(a):Mg-Ni;(b): Mg-Zr;(c): Mg-Mn;(d): Mg-Si; (e): Mg-La;(f): Mg-Ca;(g): Mg-Ce;(h): Mg-Al;(i):Mg-Cd;(j): Mg-Nd。

文献报道的镁合金阻尼能力和极限抗拉强度汇总如图3所示。可以看出，Mg-RE合金具有优异的阻尼能力和强度。本章总结了最新开发的高阻尼性能(应变幅为1 × 10−3时Q−1 > 0.01)、强度大于300 MPa的镁合金。

图3.应变幅为10−3vs . Mg合金的极限抗拉强度时的阻尼能力。采用强制振动(单悬臂，f = 1 Hz，室温)对不同商标的动态力学分析仪进行阻尼测量。

Mg-RE合金中形成的层错导致合金具有较高的强度和阻尼能力。挤压后含有层错的Mg-4Er-4Gd-1 Zn合金和Mg-1.5Gd-1 Zn合金具有良好的强度、延展性和阻尼能力。挤压后的Mg-1.5Gd-1 Zn合金在应变幅为10−3时，TYS为314 MPa, EL为21.0%，Q−1值为0.017，如图4所示。含层错的镁合金的阻尼机理不符合G-L理论。除了位错运动外，层错还可能引入界面和位错/团簇相互作用，从而导致Mg-RE合金具有高阻尼能力。

图4.。挤压态Mg-1.5Gd-1 Zn合金TEM-BF、HAADF-STEM图像、EDS图谱分析:(a, b, d-f) 300℃挤压态，(c,g-i) 420℃挤压态，(j)阻尼-应变幅值曲线，(k)拉伸应力-应变曲线。

图5.MDF工艺前后ZK60合金(a)强化(b)阻尼机理示意图[55]。

图6. Mg-NiTi互穿相复合材料的制备及三维结构。(A) 3D打印镍钛诺支架制备Mg-NiTi互渗相复合材料的工艺示意图，随后用镁熔体对支架进行无压渗透。选择性激光熔化。(B)渗透复合材料和(C)复合材料内菱形十二面体形式的镍钛诺增强体的x射线断层扫描(XRT)体积图，通过过滤镁的信号获得。

图7.溶质原子对某些二元镁合金导热性能的影响:(a)无RE二元镁合金和(b) Mg- RE二元合金。

图8.晶格振动和杂质对电子的散射效应。

镁合金是最具发展前景的轻量化结构功能一体化材料之一。本文综述了镁合金中各种功能特性背后的机制，如阻尼能力、导热性、电磁屏蔽、阻燃性和可溶解性。它还讨论了强度和功能特性之间的权衡。近年来，通过对溶质原子、第二相、晶界和织构对镁合金力学性能和功能性能影响的深入了解，通过优化化学成分和加工工艺，开发出了具有优异综合性能的新型组织功能一体化镁合金及其复合材料。综述了近年来发展起来的结构功能一体化镁合金及其复合材料，包括具有高阻尼能力、高导热性、强电磁屏蔽效能、优异阻燃性、高溶解率的高强镁基材料。在目前开发的合金中，含有长周期有序堆积相(LPSO)和堆积缺陷(SF)的Mg- re - tm(过渡金属)合金有望成为高强度、高阻尼的镁合金。Mg-Zn-X和Mg-Mn-La /Ce系列合金具有优异的导热性和高强度。Mg-Y/Gd-X和Mg-Zn-RE合金具有较高的导电性和通过析出不同类型的第二相而增加的界面，具有优异的电磁屏蔽性能和较高的强度。含有C36相的Mg-Al-Ca合金和含有LPSO相的Mg-RE合金由于形成致密的保护性氧化膜和显著的析出强化而具有优异的耐燃性和高强度。Mg-RE-Ni/Cu合金是理想的高强度可溶镁合金。此外，添加具有特定功能性能的增强剂可以显著提高镁合金的功能性能和强度。概述了今后结构-功能集成镁基材料研究的重点:镁合金力学性能和功能性能及其耦合效应的机理需要通过实验研究和理论模拟进一步阐明。重点研究了LPSO、Laves相、SFs、孪晶、扭结带、有序和聚类结构等新相和缺陷对镁合金力学和功能性能的影响机制。考虑微观组织对镁合金力学性能和功能性能的影响，建立镁合金力学性能和功能性能的定量预测模型。使用原子、中尺度和连续体建模技术的多尺度建模方法可以为控制镁合金性能的潜在机制提供有价值的见解。