新型超強輕質金屬復合材料可承受極端高溫

加拿大多倫多大學的研究人員設計了一種新型復合材料，這種材料既非常輕又極其堅固，即使在高達500℃的溫度下也是如此。這篇發(fā)表在《自然—通訊》雜志上的論文描述了一種新型材料，它由多種金屬合金和納米級析出物組成，其結構類似于鋼筋混凝土——但尺度卻截然不同。這些特性使其在航空航天和其他高性能行業(yè)中具有極高的應用價值。“鋼筋在建筑行業(yè)中被廣泛用于提高建筑物和其他大型結構中混凝土的結構強度。”該研究的資深作者、多倫多大學應用科學與工程學院材料科學與工程系副教授鄒宇（音譯）表示，“增材制造等新技術使我們能夠以金屬基復合材料的形式模擬這種結構。這種方法為我們提供了*的新型材料�！�

雖然鋼材仍然是火車和汽車的主要結構材料，但由于鋁材重量更輕，它在飛機制造領域具有一些優(yōu)勢。輕量化——即在保持部件強度的前提下減輕其重量——意味著驅動車輛所需的動力更少，從而提高燃油效率。這在航空航天領域尤為重要，因為每一克都至關重要。

但鄒宇實驗室的研究助理、這篇新論文的*作者邵晨偉解釋說，鋁合金也有缺點�！暗侥壳盀橹�，鋁制部件在高溫下性能會下降�！鄙鄢總フf，“基本上，溫度越高，鋁材的硬度就越低，這使得它們不適用于許多應用�！�

為了解決這個問題，研究團隊的目標是制造一種由多種金屬組成的復合材料，其結構與鋼筋混凝土相同：由鋼筋構成的籠狀或網狀結構，外層包裹著水泥、沙子和骨料組成的基質。

“在我們的材料中，‘鋼筋’是由鈦合金支柱構成的網狀結構�！鄙鄢總フf，“由于我們采用了一種增材制造技術，即用激光照射金屬粉末，使其加熱成固態(tài)金屬，因此我們可以制造任意尺寸的網狀結構。支柱的直徑可以小至0.2毫米�！�

為了填充這些支柱之間的空隙，研究團隊采用了一種名為微鑄造的技術，制造出由鋁、硅和鎂等其他元素組成的基質。這種基質就像水泥一樣，將所有部件牢固地粘合在一起。微米級的氧化鋁顆粒和硅納米沉淀物嵌入“水泥”基質中，進一步增強了材料的強度。這些顆粒與混凝土中的礫石或骨料非常相似。

隨后，研究團隊對這種新型材料進行了各種測試，以確定其強度。

邵晨偉介紹道：“在室溫下，我們獲得的*高屈服強度約為700兆帕；而典型的鋁基材料的屈服強度通常在100到150兆帕之間，但它真正的優(yōu)勢在于高溫性能。在500℃時，它的屈服強度可達300至400兆帕，而傳統(tǒng)鋁基復合材料的屈服強度約為5兆帕。事實上，這種新型金屬復合材料的性能與中等強度鋼材相當，但重量卻只有后者的三分之一左右�！�

這種材料在如此高溫下仍能保持性能穩(wěn)定，這令人驚訝，因此研究團隊構建了詳細的計算機模型來探究其背后的機制。該研究的共同作者、計算機模擬負責人陳慧聰說道：“我們發(fā)現(xiàn)，這種復合材料在高溫下變形的機制與大多數(shù)金屬不同。我們將這種新機制稱為‘增強孿晶’，它使材料即使在極高的溫度下也能保持大部分強度�！�

鄒宇表示，雖然這種新材料距離工業(yè)應用可能還需要一段時間，但它的發(fā)現(xiàn)凸顯了增材制造等新興技術的優(yōu)勢。他認為目前大規(guī)模生產這類材料的成本仍然很高，但在某些應用領域，其高性能*物有所值。隨著越來越多的公司投資于先進制造技術，*終會看到成本下降。