導(dǎo)讀：鎂基材料不僅具有低密度、高比強(qiáng)度等優(yōu)良特性，而且具有高阻尼、高導(dǎo)熱、高電磁干擾屏蔽能力、阻燃性、可溶解性等優(yōu)異的功能特性。然而，如何在強(qiáng)度和功能之間取得平衡仍然是鎂合金界面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。通常，強(qiáng)度取決于阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的溶質(zhì)原子和第二相等缺陷的釘軋作用。最佳的功能特性通常需要相對(duì)完美的晶體結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿苜|(zhì)原子和第二相的存在會(huì)對(duì)阻尼能力和導(dǎo)熱性產(chǎn)生不利影響。平衡這些相互沖突的需求是困難的。鎂合金的強(qiáng)度和功能之間的權(quán)衡應(yīng)該打破，以滿足航空航天、汽車、3C(計(jì)算機(jī)、通信和消費(fèi)電子)和能源行業(yè)對(duì)高性能結(jié)構(gòu)功能集成的鎂基材料的迫切需求。本文綜述了鎂合金功能性能的機(jī)理和影響因素的研究進(jìn)展。討論了鎂合金強(qiáng)度與功能之間權(quán)衡的機(jī)制。綜述了近年來發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)功能一體化鎂合金及其復(fù)合材料，包括具有高阻尼性能、高導(dǎo)熱性能、強(qiáng)電磁屏蔽性能、優(yōu)異阻燃性能、高溶解速率的高強(qiáng)鎂基材料。提出了今后發(fā)展結(jié)構(gòu)功能一體化鎂基材料的工作方向。

鎂是市售結(jié)構(gòu)金屬中密度最低、比強(qiáng)度和比剛度較高的金屬。此外，Mg還具有一些獨(dú)特的功能性質(zhì)。例如，Mg具有非常高的阻尼能力和減震性能，高導(dǎo)熱性，電磁屏蔽效能，在生理?xiàng)l件下具有優(yōu)異的生物相容性。在NaCl溶液中，Mg的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是所有結(jié)構(gòu)金屬中最低的，而且表層疏松多孔，因此溶解速率高。因此，鎂基材料具有良好的結(jié)構(gòu)和功能特性，是最有發(fā)展前途的輕量化材料之一，在交通運(yùn)輸、航空航天、電子、能源和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域備受關(guān)注。

目前，鎂基材料主要用作輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，其功能性能尚未得到充分開發(fā)。開發(fā)具有綜合結(jié)構(gòu)和功能性能的高性能鎂合金，對(duì)于解決關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的輕量化和功能化問題，緩解日益嚴(yán)峻的全球環(huán)境和能源危機(jī)具有重要意義。然而，鎂基材料的一些功能特性很難與強(qiáng)度同時(shí)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閺?qiáng)度和功能特性通常源于兩種相互矛盾的機(jī)制。例如，高強(qiáng)度需要高密度的缺陷，如溶質(zhì)原子、第二相等，以阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。然而，第二相和溶質(zhì)原子引起晶格畸變，從而散射電子或聲子，這對(duì)導(dǎo)熱性和電磁干擾屏蔽效果是不利的;溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的釘住作用降低了位錯(cuò)的遷移率，從而降低了鎂合金的阻尼能力;某些強(qiáng)化溶質(zhì)原子和第二相對(duì)鎂合金的表層和基體有顯著影響，影響鎂合金的耐火性和可溶性。因此，在鎂基材料的功能特性和強(qiáng)度之間有一個(gè)權(quán)衡。近年來，為了滿足工業(yè)的迫切需求，人們致力于開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)功能集成的鎂基材料。

本文綜述了近年來高分子材料在阻尼性能、導(dǎo)熱性能、屏蔽電磁干擾性能、阻燃性能和可溶解性等方面的研究進(jìn)展。綜述了高性能結(jié)構(gòu)功能集成鎂合金及其復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展，提出了今后結(jié)構(gòu)功能集成鎂合金及其復(fù)合材料的研究方向。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院?jiǎn)挝秽嵜髁x作者對(duì)此進(jìn)行了研究，相關(guān)研究成果以題Structure-function integrated magnesium alloys and their composites發(fā)表在Journal of Magnesium and Alloys期刊上

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

G-L模型是為“純”金屬而開發(fā)的，雜質(zhì)的濃度相對(duì)較低。在合金中，位錯(cuò)線可能被擴(kuò)散到位錯(cuò)核心的溶質(zhì)原子所占據(jù)，在位錯(cuò)核心中，它們找到位置能量較低的位置，被認(rèn)為是不可移動(dòng)的釘扎點(diǎn)。更一般地，晶體中的缺陷可以根據(jù)它們與位錯(cuò)的相互作用分為兩種類型：第一種是一些真正不可移動(dòng)的點(diǎn)缺陷，如位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和沉淀相，這種類型被稱為強(qiáng)釘扎點(diǎn)；另一種是弱釘扎點(diǎn)，如固溶體原子、空位和點(diǎn)缺陷。位錯(cuò)-釘扎點(diǎn)相互作用(G-L模型)可以用圖1所示的模型來解釋。在低應(yīng)力水平下，位錯(cuò)在弱釘扎點(diǎn)之間發(fā)生彎曲運(yùn)動(dòng)。然而，當(dāng)應(yīng)力足夠高，足以克服弱釘扎點(diǎn)時(shí)，位錯(cuò)開始在強(qiáng)釘扎點(diǎn)之間做倒數(shù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)線的“脫釘-釘扎”，并產(chǎn)生顯著的振幅相關(guān)阻尼。

圖1

圖1. G-L模型示意圖。(a)由于施加的應(yīng)力增加而使固定的位錯(cuò)線彎曲。雜質(zhì)釘住決定的環(huán)路長(zhǎng)度用Lc表示，網(wǎng)絡(luò)決定的環(huán)路長(zhǎng)度用LN表示。隨著應(yīng)力的增加，循環(huán)Lc向外彎曲，直到分離發(fā)生。對(duì)于非常大的應(yīng)力，根據(jù)弗蘭克-里德機(jī)制，位錯(cuò)成倍增加。(b)實(shí)線為圖1(a)所示模型的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。彈性應(yīng)變已被減去，因此只顯示位錯(cuò)應(yīng)變。采用ABCDEF路徑增加應(yīng)力，采用FA路徑減小應(yīng)力。虛線曲線表示如果不是所有的循環(huán)都有相同的長(zhǎng)度，但存在長(zhǎng)度Lc的分布。

根據(jù)G-L理論，如果合金元素在鎂合金的固溶體中溶解，它們會(huì)成為位錯(cuò)的弱釘釘點(diǎn)，影響鎂合金的振幅無關(guān)阻尼性能。圖2顯示了合金元素對(duì)二元鎂合金阻尼能力(對(duì)數(shù)衰減(δ))的影響。合金元素的溶解度對(duì)二元鎂合金的阻尼性能有重要影響。在二元鎂合金中加入Ni、Ca、Mn、Si、La等固溶度非常小的合金元素，使其具有較低的位錯(cuò)脫離應(yīng)力，從而具有極高的阻尼能力。特別是含Ni 0.1 ~ 0.2wt%的鎂合金，其阻尼性能明顯高于純Mg合金。而在Mg中加入Al、Cd、Nd等固溶度高的合金元素，由于位錯(cuò)的遷移率大大降低，使Mg的阻尼能力急劇下降。隨著合金元素濃度的增加，鎂合金的阻尼能力明顯下降。

圖2

圖 2.合金元素對(duì)二元鎂合金阻尼性能的影響。(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。

文獻(xiàn)報(bào)道的鎂合金阻尼能力和極限抗拉強(qiáng)度匯總?cè)鐖D3所示。可以看出，Mg-RE合金具有優(yōu)異的阻尼能力和強(qiáng)度。本章總結(jié)了最新開發(fā)的高阻尼性能(應(yīng)變幅為1 × 10⁻³時(shí)Q−1 > 0.01)、強(qiáng)度大于300 MPa的鎂合金。

圖3

圖3.應(yīng)變幅為10⁻³vs . Mg合金的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)的阻尼能力。采用強(qiáng)制振動(dòng)(單懸臂，f = 1 Hz，室溫)對(duì)不同商標(biāo)的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀進(jìn)行阻尼測(cè)量。

Mg-RE合金中形成的層錯(cuò)導(dǎo)致合金具有較高的強(qiáng)度和阻尼能力。擠壓后含有層錯(cuò)的Mg-4Er-4Gd-1 Zn合金和Mg-1.5Gd-1 Zn合金具有良好的強(qiáng)度、延展性和阻尼能力。擠壓后的Mg-1.5Gd-1 Zn合金在應(yīng)變幅為10−3時(shí)，TYS為314 MPa, EL為21.0%，Q−1值為0.017，如圖4所示。含層錯(cuò)的鎂合金的阻尼機(jī)理不符合G-L理論。除了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)外，層錯(cuò)還可能引入界面和位錯(cuò)/團(tuán)簇相互作用，從而導(dǎo)致Mg-RE合金具有高阻尼能力。

圖4

圖4.。擠壓態(tài)Mg-1.5Gd-1 Zn合金TEM-BF、HAADF-STEM圖像、EDS圖譜分析:(a, b, d-f) 300℃擠壓態(tài)，(c,g-i) 420℃擠壓態(tài)，(j)阻尼-應(yīng)變幅值曲線，(k)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖5

圖5.MDF工藝前后ZK60合金(a)強(qiáng)化(b)阻尼機(jī)理示意圖[55]。

圖6

圖6. Mg-NiTi互穿相復(fù)合材料的制備及三維結(jié)構(gòu)。(A) 3D打印鎳鈦諾支架制備Mg-NiTi互滲相復(fù)合材料的工藝示意圖，隨后用鎂熔體對(duì)支架進(jìn)行無壓滲透。選擇性激光熔化。(B)滲透復(fù)合材料和(C)復(fù)合材料內(nèi)菱形十二面體形式的鎳鈦諾增強(qiáng)體的x射線斷層掃描(XRT)體積圖，通過過濾鎂的信號(hào)獲得。

圖7

圖7.溶質(zhì)原子對(duì)某些二元鎂合金導(dǎo)熱性能的影響:(a)無RE二元鎂合金和(b) Mg- RE二元合金。

圖8

圖8.晶格振動(dòng)和雜質(zhì)對(duì)電子的散射效應(yīng)。

鎂合金是最具發(fā)展前景的輕量化結(jié)構(gòu)功能一體化材料之一。本文綜述了鎂合金中各種功能特性背后的機(jī)制，如阻尼能力、導(dǎo)熱性、電磁屏蔽、阻燃性和可溶解性。它還討論了強(qiáng)度和功能特性之間的權(quán)衡。近年來，通過對(duì)溶質(zhì)原子、第二相、晶界和織構(gòu)對(duì)鎂合金力學(xué)性能和功能性能影響的深入了解，通過優(yōu)化化學(xué)成分和加工工藝，開發(fā)出了具有優(yōu)異綜合性能的新型組織功能一體化鎂合金及其復(fù)合材料。綜述了近年來發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)功能一體化鎂合金及其復(fù)合材料，包括具有高阻尼能力、高導(dǎo)熱性、強(qiáng)電磁屏蔽效能、優(yōu)異阻燃性、高溶解率的高強(qiáng)鎂基材料。在目前開發(fā)的合金中，含有長(zhǎng)周期有序堆積相(LPSO)和堆積缺陷(SF)的Mg- re - tm(過渡金屬)合金有望成為高強(qiáng)度、高阻尼的鎂合金。Mg-Zn-X和Mg-Mn-La /Ce系列合金具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和高強(qiáng)度。Mg-Y/Gd-X和Mg-Zn-RE合金具有較高的導(dǎo)電性和通過析出不同類型的第二相而增加的界面，具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能和較高的強(qiáng)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護(hù)性氧化膜和顯著的析出強(qiáng)化而具有優(yōu)異的耐燃性和高強(qiáng)度。Mg-RE-Ni/Cu合金是理想的高強(qiáng)度可溶鎂合金。此外，添加具有特定功能性能的增強(qiáng)劑可以顯著提高鎂合金的功能性能和強(qiáng)度。概述了今后結(jié)構(gòu)-功能集成鎂基材料研究的重點(diǎn):鎂合金力學(xué)性能和功能性能及其耦合效應(yīng)的機(jī)理需要通過實(shí)驗(yàn)研究和理論模擬進(jìn)一步闡明。重點(diǎn)研究了LPSO、Laves相、SFs、孿晶、扭結(jié)帶、有序和聚類結(jié)構(gòu)等新相和缺陷對(duì)鎂合金力學(xué)和功能性能的影響機(jī)制。考慮微觀組織對(duì)鎂合金力學(xué)性能和功能性能的影響，建立鎂合金力學(xué)性能和功能性能的定量預(yù)測(cè)模型。使用原子、中尺度和連續(xù)體建模技術(shù)的多尺度建模方法可以為控制鎂合金性能的潛在機(jī)制提供有價(jià)值的見解。