镁及镁合金具有密度低、易回收、优异的阻尼和机械加工性等优势，在航空航天、汽车、兵器等现代工业中具有广阔的发展前景。然而，其较低弹性模量、绝对强度和差的耐腐蚀性使其应用受到一些限制。因此，提高镁基材料的弹性模量被认为是开发新型高性能镁基材料的关键问题之一。

最近，哈尔滨工业大学王晓军教授课题组综述了过去几十年高模量镁基材料的研究进展。综述了合金化和复合化方法提高镁基材料弹性模量的强化机制。介绍了具有不同析出物的高模量镁合金以及不同增强体对镁基复合材料显微结构和弹性模量的影响。此外，讨论了针对镁基复合材料的两种广为接受的模量预测模型的优点和局限性。最后，比较了镁合金和镁基复合材料两种高模量材料的弹性模量强化效率。提出并展望了高模量镁基材料存在的挑战和发展趋势。

从微观上讲，弹性模量取决于原子间的结合力，受原子间静电吸引力和排斥力的影响，只与原子间结合键的种类相关。对热处理、制造过程或微小的成分变化不敏感。弹性模量是材料的一个本征属性，受原子间结合能（ε）和相邻原子间距（r）的影响。因此，调控材料的弹性模量一般需要从这两个角度出发。

通常，合金化是提升材料弹性模量的有效手段之一。根据合金元素在材料内的存在形式，可分为两类：形成固溶体或金属间化合物。当合金元素以固溶元素形式存在时，无论是连续还是非连续固溶体，其弹性模量相比纯镁都没有较大的提升。表1展示了一些纯镁及镁合金弹性模量的实验值及第一性原理计算值。研究发现Mg-X合金的弹性模量受合金元素价层电子的影响。当合金元素以析出第二相的形式存在于镁合金中时，其提升模量的效率相对较高，也是目前合金化法提升镁弹性模量的主要方法。表2列举了一些析出强化型镁合金的性能参数，可以发现析出相的模量相对镁基体有一定提升，但依然无法和外加的高模量颗粒或纤维等相比。此外，析出相与镁基体的界面类型也对材料的模量及综合性能有很大的影响。

表1 纯镁和镁合金（Mg-X）杨氏模量计算及实验值

表2 典型高模量镁合金及其对应析出相的弹性模量

研究表明通过外加高模量的金属或非金属增强体能够大幅提高镁基复合材料的弹性模量。并且，可选的增强体种类繁多，增强体的体积分数也相对较高，但一般为了兼顾镁基复合材料的综合力学性能，实现增强体的均匀分布，增强体的体积分数一般控制在20%以下，对于纳米增强体甚至更低（<5%）。根据增强体形状，其可分为3类，如图1所示：颗粒型、晶须型和连续纤维型。由于外加增强体不改变原子间结合力，因此，镁基复合材料的杨氏模量主要取决于所选用的增强体的性能。

图1 高模量镁基复合材料中不同种类的增强体：（a）颗粒；（b）晶须或短纤维；（c）连续纤维

合金化法和复合化法提高纯镁的杨氏模量均通过向镁中引入高模量第二相，不同之处在于引入方式不同。图2展示了一些镁合金和镁基复合材料中典型的第二相的密度及杨氏模量。可以看出镁合金中析出第二相的模量相比外加第二相的模量都较小。镁合金中析出第二相模量均小于250 GPa，不同的是，大多数外加增强体的模量都处在350-500 GPa。此外，以B₄C、SiC为代表的增强体还具有低密度的优点，为制备轻质高模量镁基材料提供了良好的条件。

图2 典型高模量镁合金和镁基复合材料中第二相的性能对比

在选择增强体制备高模量镁基复合材料时，其增强效率至关重要。本文还比较了不同种类增强体对镁基体模量提高的效率。图3展示了不同镁基复合材料的杨氏模量及其增强体体积分数。相比之下，长纤维的增强体效率最高，但是具有方向性。晶须的增强效率相比颗粒要高，但是需要较高的体积分数。CNTs和GNPs等增强效率显著，但是受限于其较低的体积分数，无法实现镁合金绝对模量的大幅提高。

图3 不同种类增强体增强镁基复合材料的杨氏模量随增强体体积分数变化规律

尽管目前已经尝试了多种方式提升镁基材料的模量，但是现有材料体系性能远远不能满足航空航天、武器装备等关键领域对轻质高模量镁基材料的需求。关键难点在于杨氏模量这一材料本征属性对组织不敏感，难以调控。尤其通过合金化法提升镁基材料的模量效果十分有限。通过复合化法提升镁基材料的模量具有一定的前景，但是需要选择合适的增强体，需兼顾复合材料杨氏模量提升的同时，使材料的综合性能满足服役要求。

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