生活中有許多常見的復合材料，傳統的復合材料有鋼筋混凝土、玻璃鋼魚竿、一體成型的鞋子、用于開關絕緣的合成樹脂等。新型復合材料是具有更高性能的材料，具有比強度高、比模量高、密度低等特性，它包括用碳、芳綸、陶瓷等纖維和晶體等高性能增強體與耐熱性好的熱固性和熱塑性樹脂基構成的高性能聚合物復合材料。研究鎂合金復合材料的實際應用具有重大意義。

    復合材料是應現代科學技術發展而涌現出的一類具有極大生命力的新材料，從20世紀70年代至今，其中鎂基復合材料已經成為金屬基復合材料領域的重要研究熱點。鎂基復合材料受到航空航天、汽車、機械以及電子等領域的重視，在新型高新技術應用領域比傳統單一金屬和鋁基復合材料有更大的市場應用潛力和價值。

    一、概述

    鎂呈銀白色，熔點649℃，質輕，密度為1.74g/cm3，約為銅（Cu）的1/4、鋁（Al）的2/3；其化學活性強，與氧的親合力大，常用做還原劑。粉狀或細條狀的鎂，在空氣中易燃燒，燃燒時發出眩目的白光，但極易溶解于有機和無機酸中。鎂能直接與氮、硫和鹵素等化合。金屬鎂無磁性，且有良好的熱消散性，質軟、熔點較低。

    鎂合金是最輕的結構材料之一，有著其他金屬不可比擬的優越性。鎂及鎂合金具有的特殊性能如密度低、比強度和比剛度高、減振性好、電磁屏蔽性能優異、切削加工性和熱成形性好等，使其在移動通信、手提計算機等的殼體結構件上以及在汽車、電子、電器、航空航天、國防軍工、交通等領域都具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。

    二、鎂合金復合材料的研究現狀

    鎂基復合材料的主要特點是低密度、高比強度和比剛度、良好的耐磨性、良好的耐高溫性、良好的耐沖擊性、優良的減震性、良好的尺寸穩定性、良好的鑄造性以及優異的電磁屏蔽性能等。由于存在低熔點、高化學活性、易燃、易氧化等特點，有關適合鎂基復合材料的制備工藝一直以來是人們研究和解決的一大熱點。因為鎂的熔點接近于鋁的熔點，所以很多的制備方法都是在鋁基復合材料的研究基礎上進行推廣和改進的。比較傳統的方法有普通鑄造法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法和粉末冶金法，此外又出現了許多比較新型的制備方法，如機械合金化法、熔體浸滲法、噴射沉積法、自蔓延高溫合成法、重熔稀釋法和反復塑性變形法等[8]。近年來，準晶、碳纖維和石墨烯等新型增強體研究取得了較大進展，增強體與鎂及鎂合金之間的界面潤濕性問題也通過不同工藝被逐漸解決，這為鎂基復合材料的研究人員帶來了新的靈感。

    青海大學的韓麗等采用溶膠-凝膠法制備了氧化銅（CuO）涂覆 硼酸鎂（Mg2B2O5）晶須增強鎂基復合材料并對其界面結構進行了研究，發現CuO 涂覆可以改善界面處的結合強度，材料的抗拉強度和斷后伸長率相較于未涂覆前分別提高了 37.6%和 35.7%。李坤等也采用溶膠-凝膠法在碳纖維表面制備出了均勻且無裂紋的二氧化硅（SiO2）涂層，進而制備得到了SiO2涂覆碳纖維增強鎂基復合材料，分析發現雖然復合材料的極限拉伸強度值只有527MPa，遠遠偏離了理論值，但是碳纖維表面的SiO2涂層可明顯促進液態鎂對碳纖維的潤濕。通過液態超聲結合固態攪拌的方法成功制備出了塊體石墨烯顆粒增強鎂基復合材料，石墨烯在基體中分布均勻，復合材料的性能強化明顯，1.2%石墨烯復合材料的顯微硬度可達 66kg/mm2，比相同工藝條件下純鎂的性能提升了78%。

    三、碳納米管/鎂基復合材料的研究現狀

    伴隨鎂合金研究熱潮的不斷推進，基于碳納米管優良的物理化學性能，人們也試圖將碳納米管引入到金屬基復合材料中，期望利用其某一或某些特性對金屬基體的性能進行強化。目前，諸多文獻已提到用碳納米管來強化Al、Cu、鎳（Ni）等金屬基體，且碳納米管對以上金屬基體都能起到良好的強化作用。

    1.碳納米管的結構與性能

    碳納米管是一種具有完整分子結構的新型碳結鋼，主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管，層與層之間保持固定的距離，約為0.34nm，直徑平均為2～20nm，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管作為一維材料，六邊形結構連接完美，具有許多優良的力學、電學和化學性能。近年來，隨著碳納米管的深入研究，其廣闊的應用前景也不斷的展現出來。

    碳納米管主要具有以下性能：①力學性能：高強度、韌性好、伸長率大、低密度，它是理想的增強體[13]；②熱學性能：單理論導熱率高達6 600 W/（m·K），在實驗過程中達到3 215 W/（m·K）；③電學性能：具有接近金屬的電導率，可以成為半導體的上佳材料；④磁學性能：它的吸波性能顯著，頻帶寬；⑤儲氫性能：因為碳納米的中空結構，理論儲氫量重量比達到了15%。

    2.碳納米管/鎂基復合材料的研究現狀

    在鎂基體中添加碳納米管作為增強體是一種以不增加鎂合金比例為前提，并且能有效改善鎂合金線性膨脹熱穩定性，提高合金抗拉強度的可行方法。但由于鎂本身的化學性質較活潑，很容易在制備過程中發生化學反應，因此對于以鎂或鎂合金作為基體的復合材料而言，應嚴格控制制備過程中的工藝參數，防止界面處的不良反應。目前，鎂基復合材料的制備工藝還有待于改進和完善，其準確的復合機理、界面處的強化機制等建設性的研究還不全面。對碳納米管增強鎂基復合材料而言，碳納米管在鎂基體中的形態為片狀，因此關于這方面的研究將又是一種新的方向。

    碳納米管作為增強相對鎂或者鎂合金進行改性，所得到的鎂基復合材料具有高強度、耐腐蝕性和耐磨性等優點，碳納米管鎂基復合材料已經在很多領域得到了廣泛的應用。使用攪拌鑄造法選用鍍鎳多壁碳納米管制備鎂基復合材料，研究發現凝固過程中碳納米管成為非均結晶體的晶核，可以引起晶粒細化，同時提高碳納米管與基體的結合度，復合材料的彈性模量和抗拉強度與基體相比都有所提高。Y.Shimizu等人采用粉末冶金法制備了碳納米管增強AZ91D鎂基復合材料，當碳納米管加入量為1.0％（質量分數）時，復合材料的抗拉強度達到388MPa。Qianqian Li等人制備的碳納米管增強鎂基復合材料力學性能得到明顯提高。由此可見，碳納米管鎂基復合材料不僅可以細化晶粒提高力學性能，而且還可以提高抗腐蝕性能，碳納米管鎂基復合材料為工程材料的選擇提供了一個廣闊的領域。

    四、碳納米管/鎂基復合材料存在的問題

    由于鎂本身的化學性質較活潑，很容易在制備過程中發生化學反應，因此對于以鎂或鎂合金作為基體的復合材料而言，應嚴格控制制備過程中的工藝參數，防止界面處的不良反應。

    目前，由于鎂及鎂合金存在強度低、模量小、塑性差和易腐性等缺點，鎂基復合材料的制備工藝還有待于改進和完善，其準確的復合機理、界面處的強化機制等建設性的研究還不全面。

    碳納米管鎂基復合材料制備過程中面臨2個最大的挑戰：碳納米管的均勻分散以及與基體的潤濕性較差。由于碳納米管比表面積較大，表面能較高，因此具有很強的團聚傾向。碳納米管大多數金屬不潤濕，因此與金屬基體之間很難形成較牢固的結合界面。

    五、結語

    目前，有關碳納米管增強鎂基復合材料方面的研究已有很多，但是如果從碳納米管和鎂合金各自方面加以深刻研究，再綜合兩者的優點加以優化，必將取得非常好的效果，鑒于目前的研究，筆者認為，在以后碳納米管/鎂基復合材料的研究將主要朝以下方向發展：

    第一，研究碳納米管和鎂基復合材料熱力學及動力學的計算機模擬技術，這樣不僅可以給生產帶來方便和效益，同時為更多科研工作者提供很好的平臺。

    第二，深入研究碳納米和鎂基復合材料的界面行為以獲得界面良好的復合材料。

    第三，進行制備工藝、復合材料再生與回收技術已經材料內部結構性能的各個領域更多 的原理研究與應用探索。

    第四，用于空間及交通、儲氫材料和老年人輔助工具超輕結構材料的研究。

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責任編輯：殷鵬飛

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