科技 | 受鋼筋混凝土啟發(fā)，科學家研發(fā)出可耐受500℃高溫的輕質(zhì)高強度材料

多倫多大學工程學院研究人員成功研制出一種超輕質(zhì)、超高強度且耐極端高溫的新型復(fù)合材料，有望在航空航天及其他高性能工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

據(jù)了解，該材料可耐受高達 932°F（500°C）的極端溫度，由多種金屬合金與納米級析出物構(gòu)成，其微觀結(jié)構(gòu)模仿了鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，只不過將宏觀建筑中的鋼筋-混凝土體系縮小至微米尺度，形成一種新型金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composite, MMC）。

該研究的資深作者、多倫多大學 Yu Zou 教授指出：“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼制鋼筋廣泛用于增強建筑等大型構(gòu)筑物中混凝土的結(jié)構(gòu)強度。如今，增材制造（即金屬 3D 打印）等新興技術(shù)使我們能夠在金屬基體中復(fù)制這類結(jié)構(gòu)，從而開發(fā)出性能前所未有的新型材料。”

研究團隊指出，盡管鋼鐵仍是火車與汽車的主要結(jié)構(gòu)材料，但航空領(lǐng)域因減重需求更青睞鋁合金，輕量化（在保持強度的前提下減輕構(gòu)件重量）可顯著降低機器運行所需的能源消耗，提升燃油效率。尤其在航空航天領(lǐng)域，每克重量都很關(guān)鍵。

然而，Yu Zou 實驗室博士后研究員、本論文第一作者 Chenwei Shao 強調(diào)，傳統(tǒng)鋁合金存在顯著短板：“迄今為止，鋁基部件在高溫下性能嚴重退化，溫度升高會導(dǎo)致材料顯著軟化，使其難以滿足諸多高溫應(yīng)用場景的需求。”

為攻克這一難題，研究團隊受鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計了一種由多種金屬組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)：以鈦合金細桿構(gòu)成“鋼筋籠”網(wǎng)絡(luò)，外部包裹由鋁、硅、鎂等元素組成的金屬基體“水泥”，并進一步引入微米級氧化鋁顆粒與硅納米析出物，模擬混凝土中砂石骨料的作用，從而協(xié)同增強整體力學性能。

“在我們的材料中，‘鋼筋’是由鈦合金細桿構(gòu)成的網(wǎng)狀骨架。”邵晨偉解釋道，“得益于金屬激光粉末床熔融增材制造技術(shù)，我們能通過激光精準熔融金屬粉末，自由調(diào)控網(wǎng)格尺寸 —— 細桿直徑最小可達 0.2 毫米。”隨后，團隊采用微鑄造（micro-casting）工藝將鋁基合金填充至骨架間隙，形成致密基體；嵌入其中的氧化鋁微粒與硅納米析出相，則進一步提升了材料強度與熱穩(wěn)定性。

經(jīng)系統(tǒng)測試，新材料展現(xiàn)出卓越性能：室溫下最高屈服強度達約 700 兆帕（MPa），遠超普通鋁基復(fù)合材料的 100–150 MPa；更關(guān)鍵的是其高溫表現(xiàn)，在 500°C 時仍能保持 300–400 MPa 的屈服強度，而傳統(tǒng)鋁基材料此時僅剩約 5 MPa。“事實上，這種新型金屬復(fù)合材料的高溫強度已接近中等強度鋼的水平，但重量僅為其三分之一。”Chenwei Shao 表示。

研究團隊對其在如此高溫下仍能有效抑制性能退化感到驚訝，遂構(gòu)建了高精度計算機模型深入探究其強化機制。

最終，受廣泛應(yīng)用的鋼筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）結(jié)構(gòu)啟發(fā)，團隊融合增材制造與微鑄造技術(shù)，成功制備出一系列類 RC 結(jié)構(gòu)的鋁基復(fù)合材料（RC-like Aluminum Matrix Composites, RC-AMCs）。此類材料含有高體積分數(shù)的耐熱顆粒增強相，可在高達 500°C 的溫度下顯著抑制強度衰減。相關(guān)成果已發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然?通訊》（Nature Communications）。

來源：IT之家

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