上海理工 《Carbon》：纳米碳增强金属基复合材料构型设计及其性能研究进展

随着科技的不断进步，金属基复合材料(MMCs)因其优异的机械性能和物理特性在航空航天、汽车制造和电子行业中得到了广泛应用。纳米碳材料，如石墨烯(Gr)和碳纳米管(CNTs)，因其优异的机械和物理性能被视为理想的增强材料。然而，具有均匀构型的非连续纳米碳增强MMCs由于其各向异性的纳米碳几何形状和弱的碳-金属界面结合，无法最大限度地发挥增强材料与基体之间的协同耦合效果。近年来，具有非均匀结构的纳米碳增强MMCs，包括叠层、三维网状、定向和分级结构，可以有效提高复合材料的整体性能。

上海理工大学詹科副教授团队对纳米碳增强金属基复合材料构型设计及其性能研究进展开展了系统总结与归纳，相关研究成果以题为“Recent progress in architecture design of nanocarbon-reinforced metal matrix composites and their properties: A review”发表在Carbon期刊上。论文第一作者为硕士研究生刘佳楠，詹科副教授为通讯作者，上海理工大学为第一通讯单位。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119382

论文详细探讨了纳米碳增强金属基复合材料的结构设计及其性能的最新进展，系统总结了具有叠层、三维网状、定向和分级结等非均匀构型的纳米碳增强 MMCs 的制备方法，分析了不同结构的复合材料的力学性能、导电性能以及结构 - 性能关系。最后，概述了纳米碳增强 MMCs 结构设计可能的研究方向和面临的挑战。

该研究不仅为纳米碳增强金属基复合材料的结构设计提供了借鉴，而且通过优化材料结构，有望进一步提高复合材料的性能，满足更高技术要求的应用场景。此外，通过非均匀构型来增强纳米碳与金属基体之间的协同效应，这对于推动金属基复合材料的研发以及在高科技领域的应用具有重要意义。

一、具有叠层结构的纳米碳增强金属基复合材料的制备及其性能

论文总结了具有宏观叠层结构和微纳叠层结构的纳米碳增强MMCs的制备方法。对于层状复合材料，其微观组织和性能表现出明显的各向异性，沿增强体排列方向的改善效率相对较高。同时，可以通过控制层中各组分的厚度和界面修饰来提高性能。这种类型的纳米碳增强叠层复合材料具有高强度和韧性。

图1. 具有叠层结构的纳米碳增强MMCs的制备方法

二、具有三维网状结构的纳米碳增强金属基复合材料的制备及其性能

三维网状结构被设计为各向同性的，是最有希望实现力学和导电性能协同提高的结构。与纯金属相比，具有三维网状结构的金属基复合材料的力学和导电性能都得到了改善。除了纳米碳增强体的质量外，还可以通过优化三维网状结构的连续性、界面结合和增强材料含量等，进一步提高增强效率。在应用方面，具有三维网状结构的纳米碳/金属基复合材料可作为重要的结构功能材料，在航空航天、汽车和运输业以及电子封装等领域具有巨大的应用潜力。

图2. 具有三维网状结构的纳米碳增强MMCs的制备方法

三、具有定向结构的纳米碳增强金属基复合材料的制备及其性能

具有定向结构的复合材料中的增强体以高度有序的结构排列，这种结构有助于提高纳米碳增强体（如非连续式 MMCs 中的一维 CNTs 或二维 Gr）的增强效率。这种构型结构，可使复合材料在设计方向上获得高强度，不仅强度和韧性得到了提高，刚度也得到了改善。这些具有定向结构的纳米碳增强 MMCs 可用于航空航天或汽车行业。

图3. 具有定向结构的纳米碳增强MMCs的制备方法

四、具有分级结构的纳米碳增强金属基复合材料的制备及其性能

分级复合材料由两个或多个组成相组成，具有多层次的微观结构。据报道，粉末冶金和分子水平混合法是制备具有分级结构的CNTs和Gr增强MMCs的有效的方法，可以获得良好的力学性能。具有分级结构的复合材料的主要特征是具有多级的微观组织，不仅可以保持高强度，而且可以进一步提高韧性。这种结构可用于需要高强度和韧性的领域。

纳米碳增强金属基复合材料展望

(1) 开发低成本、可规模化的纳米碳增强金属基复合材料制造方法：制备非均匀结构的块状纳米碳增强MMCs的主要方法为粉末冶金，其工艺耗时且相对复杂，同时结构的完整性会受到破坏，在制备过程中还可能发生强烈的界面反应。因此，在制备过程中，应更加关注构型结构的演变和界面微结构的变化。此外，利用增材制造工艺制备具有特殊构型结构的 MMCs 是一种值得探索的途径。

(2) 设计更精细、更实用的构型结构，进一步提高复合材料的整体性能：目前报道的构型一般都是单一构型结构，复合材料的性能仍然有限。开发包括两种或两种以上基本构型结构的新型复杂结构有望实现更好的综合性能。此外，利用人工智能实现新构型结构的设计和优化也是研究的重要方向之一。

(3) 研究不同构型结构的关键结构参数对复合材料性能的影响：随着原位表征方法的发展，利用先进的表征方法可以在较小的范围内详细研究复合材料中纳米碳的空间分布对其机械行为和功能特性的影响。

(4) 建立各种结构的理论计算模型：DFT和MD方法在内的理论计算用于研究碳-金属界面之间的基本相互作用,有限元模型可用于研究构型结构对 MMCs整体性能的影响。然而，目前仍缺乏准确的理论来预测不同构型结构的纳米碳增强 MMCs 的电/热性能，这可能是由于影响这些复合材料中电子/声子传输的因素非常复杂。利用先进的微结构表征方法获得特定构型结构复合材料的精确参数，有望提高理论计算的准确性。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。