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论文概述

镁合金具有密度低、比强度高、铸造性能好、阻尼性能强、生物相容性好和易于回收利用等特点，因此在航空航天、汽车、3C、生物医学和能源等领域具有极大的应用潜力。镁基复合材料保留了镁合金的优点，可根据需要设计不同结构、种类和体积分数的增强体与基体。碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)等碳基纳米材料（CBNs）具有优异的机械性能、导热性和导电性、且密度低，是目前较为理想的增强体。已有研究表明以CBNs为增强体，以镁合金作为基体制备Mg-CBN复合材料，能够显著提高镁基体的强度、耐磨性、耐腐蚀性和导电性，改善其生物相容性、储氢性能和抗菌活性，有望进一步拓宽镁基材料的应用范围。

近日，加拿大英属哥伦比亚大学奥卡纳根校区(University of British Columbia-Okanagan)Lukas Bichler教授等人综述了近年来国内外碳基纳米材料增强镁基复合材料（Mg-CBN）的最新研究进展，通过总结当前Mg-CBN复合材料的先进制备工艺，指出了其制备难点；深入分析了CBNs对Mg-CBN复合材料各种性能的影响，并探讨了CBNs在镁基体中的增强效率；最后，展望了Mg-CBN复合材料在工业领域的潜在应用，总结并提出了Mg-CBN复合材料的未来研究方向。

Mg-CBN复合材料的制备工艺主要包括粉末冶金法（PM）、铸造（Casting）、搅拌摩擦加工（FSP）和选区激光熔化(SLM)等。图1为Mg-Graphene和Mg-CNT复合材料的制备工艺占比。在各类Mg-CBN复合材料制备工艺中，粉末冶金法工艺简单、对CBNs的分散效果好，应用最广。其主要工艺包括(i)CBNs与镁粉混合分散；(ii)Mg-CBNs混合物压实；(iii)在可控气氛或真空条件下烧结。铸造工艺则能够以更低成本生产出近净成形的零件，还能以较高的生产效率制造大型复杂形状零件，其中超声辅助搅拌法、DMD法、压力浸渗法等常被应用于制造Mg-CBN复合材料。搅拌摩擦加工是一种源于搅拌摩擦焊的固态材料加工技术，可通过使用凹槽或孔填充方法来制备Mg-CBN复合材料。搅拌摩擦加工的工艺参数和搅拌针的几何特征对摩擦产热和材料流动有显著影响，进而影响复合材料基体的增强体分布、微观组织和性能。选区激光熔化是一种增材制造工艺，其利用高强度激光束，根据三维计算机辅助设计(CAD)模型，以逐层方式熔化和固化粉末的选择区域。目前仅有少量文献报道镁基复合材料的选区激光熔化工艺，相关研究尚处于初期探索阶段。

图1(a)Mg-Graphene和(b)Mg-CNT复合材料的制备工艺占比

图2为Mg-CBN复合材料中最佳含量CBNs的强化效率。由图可见，在拉伸和压缩载荷下，石墨烯的强化效率均高于碳纳米管。图3给出了最佳CBNs含量下Mg-CBN复合材料的室温力学性能的增加值。研究表明，CBNs最优含量介于0.05 wt.%到5 wt.%之间，且大多数文献报道的最优值低于2 wt.%。当CBNs含量较低时，可以提高镁基体的耐腐蚀性能；但进一步增加CBNs含量将降低镁基体的耐腐蚀性能。针对Mg-CBN复合材料的体外降解研究表明：CBNs不产生毒性反应，可提高细胞相容性；但还需要通过体内降解研究进一步探明CBNs的纳米毒性、其与各种器官的相互作用、生物降解及其降解过程中产生的副产物。在Mg-CBN复合材料的摩擦性能研究方面，相关文献有限。已有研究初步表明：与Mg-CNT复合材料相比，Mg-石墨烯复合材料具有更优异的耐磨性能；与相同质量分数的Mg-CNTs复合材料相比，（CNTs+石墨烯）混杂增强镁基复合材料具有更高的耐磨损性能。

图2 Mg-CBN复合材料中最佳含量CBNs的强化效率(a)CNTs和(b)石墨烯

图3最佳CBNs含量下Mg-CBN复合材料的室温力学性能的增加值：(a)维氏硬度，(b)EMT，(c)TYS，(d)UTS，(e)CYS和(f)UCS

在Mg-CBN复合材料的物理性能研究方面，已有少量研究关注其导热性和导电性。研究结果表明：由于CBNs具有较低的热膨胀系数和较高的热稳定性，导致Mg-CBN复合材料热膨胀系数下降，而添加石墨烯或CNT后复合材料的热导率和电导率有所增加；但也有文献报道添加CNT后复合材料电导率降低。针对Mg-CBN复合材料的电磁屏蔽性能研究结果表明：层状Mg-CNT复合材料中层界面和CNTs的加入增加了晶界面积，能够促进电磁波的内部反射和吸收；并且CNTs的加入导致界面增加，有利于扩大内部反射路径；界面处的CNTs还可以改善电磁波吸收。

图4给出了Mg-CNT和Mg-石墨烯复合材料拉伸强度和密度的Ashby图。与现有材料相比，兼具低密度和高强度的Mg-CBN复合材料性能优于铸造镁合金、铝合金、Al-SiC复合材料等传统商业材料，可作为传统材料在不同领域的替代材料。但目前Mg-CBN复合材料仍处于研究阶段，尚无该材料的商业化应用或产品报道。图5为Mg-CBN复合材料的制备技术、关键性能和潜在应用示意图。与传统镁合金相比，Mg-CBN复合材料具有更低的密度和更高的强度，在汽车、航空航天领域应用潜力巨大。与现有医用镁合金相比，低含量CBNs的添加能够提高Mg-CBN复合材料的耐腐蚀性、细胞存活率和抗菌活性；同时Mg-CBN复合材料的力学性能还可通过CBNs含量进行调控，可代替现有骨植入用镁合金。此外，Mg-CBN复合材料还具有轻质、热膨胀系数低、电磁干扰屏蔽效果好、导电性能高等优点，可用于散热器、屏蔽材料、电子封装材料等电子产品领域和网球拍、自行车车架等体育器材领域。

图4 Mg-CBN复合材料的抗拉强度与密度的Ashby图

图5 Mg-CBN复合材料的制备技术、关键性能和潜在应用

尽管已经广泛开展了Mg-CBN复合材料的相关研究，但仍存在许多不足之处。在制备方面，未来的研究应侧重于开发可实现Mg-CBN复合材料大批量生产的铸造工艺；探索采用直接能量沉积、粘结剂喷射3D打印等增材制造技术制备Mg-CBN复合材料；开发Mg-CBN复合材料的原位合成技术，以解决CBNs易团聚、与镁基体界面结合差等难题。在性能方面，研究Mg-CBN复合材料的蠕变与断裂行为，评价Mg-CBN复合材料的高温性能及其高温应用潜力；通过在Mg-CBN复合材料表面涂覆石墨烯，评估其对腐蚀和生物相容性能的影响；分析Mg-CBN复合材料的体内降解行为，明确CBNs的生物降解及其与各种生物分子的相互作用机理。此外，应开展Mg-CBN复合材料的导热、导电等物理性能研究，并进一步明确Mg-CBN复合材料的电磁屏蔽机理。

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文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2022年第11卷第6期：

[1]Lava Kumar Pillari,Kyle Lessoway,Lukas Bichler*.Carbon nanotube and graphene reinforced magnesium matrix composites:A state-of-the-art review[J].Journal of Magnesium and Alloys,2023,11(6):1825-1905.

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中文摘要

与现有商业镁合金相比，碳基纳米材料（CBN）增强的镁基复合材料（Mg-CBN）通常具有密度低、强度高、导电性好、耐磨性好以及生物相容性好等优势。本文分5个部分综述了Mg-CBN复合材料的最新研究进展：首先，简要介绍了Mg-CBN复合材料，并探讨了粉末冶金、铸造、摩擦搅拌加工和选择性激光熔化等制备工艺对Mg-CBN复合材料的影响；重点讨论了当前Mg-CBN复合材料的制备工艺难题，包括Mg-CBN复合材料的均匀分散方法。此外，还着重介绍了加工方式对CBN分散效果和不同sp2碳材料结构完整性的影响。其次，深入分析了CBNs对Mg-CBN复合材料各种性能的影响，评价了碳纳米管和石墨烯对镁基体的增强效率。最后，展望了Mg-CBN复合材料在工业领域的潜在应用，总结并提出了Mg-CBN复合材料的未来研究方向。

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Abstract

Magnesium(Mg)composites reinforced with carbon-based nanomaterial(CBN)often exhibit low density,enhanced strength,good conductivity,improved wear resistance,and excellent biocompatibility when compared to current industry Mg alloys.This review aims to critically evaluate recent developments in Mg-CBN composites and is divided into five sections:First,a brief introduction to Mg-CBN composites is provided,followed by a discussion of different fabrication techniques for these composites,including powder metallurgy,casting,friction stir processing,and selective laser melting.A particular focus is on the current processing challenges,including dispersion strategies to create homogeneous Mg-CBN composites.The effect of processing on the quantifying disorder in CBNs and distinguishing different sp2 carbon materials is also highlighted.Then,the effect of CBN on various properties of Mg-CBN composites is thoroughly analyzed,and the strengthening efficiency of CNTs and graphene in the Mg matrix is examined.Finally,the potential applications of Mg-CBN composites in various industries are proposed,followed by a summary and suggestions for future research directions in the field of Mg-CBN composites.