新型超强轻质金属复合材料可承受极端高温

铝基复合材料（AMCs）中的类似钢筋混凝土的结构。加拿大多伦多大学的研究人员设计了一种新型复合材料，这种材料既非常轻又极其坚固，即使在高达500℃的温度下也是如此。这篇发表在《自然—通讯》杂志上的论文描述了一种新型材料，它由多种金属合金和纳米级析出物组成，其结构类似于钢筋混凝土——但尺度却截然不同。这些特性使其在航空航天和其他高性能行业中具有极高的应用价值。“钢筋在建筑行业中被广泛用于提高建筑物和其他大型结构中混凝土的结构强度。”该研究的资深作者、多伦多大学应用科学与工程学院材料科学与工程系副教授邹宇（音译）表示，“增材制造等新技术使我们能够以金属基复合材料的形式模拟这种结构。这种方法为我们提供了前所未有的新型材料。”虽然钢材仍然是火车和汽车的主要结构材料，但由于铝材重量更轻，它在飞机制造领域具有一些优势。轻量化——即在保持部件强度的前提下减轻其重量——意味着驱动车辆所需的动力更少，从而提高燃油效率。这在航空航天领域尤为重要，因为每一克都至关重要。但邹宇实验室的研究助理、这篇新论文的第一作者邵晨伟解释说，铝合金也有缺点。“到目前为止，铝制部件在高温下性能会下降。”邵晨伟说，“基本上，温度越高，铝材的硬度就越低，这使得它们不适用于许多应用。”为了解决这个问题，研究团队的目标是制造一种由多种金属组成的复合材料，其结构与钢筋混凝土相同：由钢筋构成的笼状或网状结构，外层包裹着水泥、沙子和骨料组成的基质。“在我们的材料中，‘钢筋’是由钛合金支柱构成的网状结构。”邵晨伟说，“由于我们采用了一种增材制造技术，即用激光照射金属粉末，使其加热成固态金属，因此我们可以制造任意尺寸的网状结构。支柱的直径可以小至0.2毫米。”为了填充这些支柱之间的空隙，研究团队采用了一种名为微铸造的技术，制造出由铝、硅和镁等其他元素组成的基质。这种基质就像水泥一样，将所有部件牢固地粘合在一起。微米级的氧化铝颗粒和硅纳米沉淀物嵌入“水泥”基质中，进一步增强了材料的强度。这些颗粒与混凝土中的砾石或骨料非常相似。随后，研究团队对这种新型材料进行了各种测试，以确定其强度。邵晨伟介绍道：“在室温下，我们获得的最高屈服强度约为700兆帕；而典型的铝基材料的屈服强度通常在100到150兆帕之间，但它真正的优势在于高温性能。在500℃时，它的屈服强度可达300至400兆帕，而传统铝基复合材料的屈服强度约为5兆帕。事实上，这种新型金属复合材料的性能与中等强度钢材相当，但重量却只有后者的三分之一左右。”这种材料在如此高温下仍能保持性能稳定，这令人惊讶，因此研究团队构建了详细的计算机模型来探究其背后的机制。该研究的共同作者、计算机模拟负责人陈慧聪说道：“我们发现，这种复合材料在高温下变形的机制与大多数金属不同。我们将这种新机制称为‘增强孪晶’，它使材料即使在极高的温度下也能保持大部分强度。”邹宇表示，虽然这种新材料距离工业应用可能还需要一段时间，但它的发现凸显了增材制造等新兴技术的优势。他认为目前大规模生产这类材料的成本仍然很高，但在某些应用领域，其高性能绝对物有所值。随着越来越多的公司投资于先进制造技术，最终会看到成本下降。（航柯）