我國自主研發(fā)航空新材料，實(shí)現鋁中“自生”陶瓷

上交大研究團隊研發(fā)新型材料，并與多家企業(yè)合作搭建生產(chǎn)應用平臺，極大推進(jìn)我國航空航天材料的發(fā)展和落地。

近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團隊研究出超強納米陶瓷鋁合金，其強度和比剛度甚至超過(guò)“太空金屬”鈦合金，有助于將航空航天、高鐵等領(lǐng)域帶入更輕、更節能的新材料時(shí)代。

如表所示，伴隨著(zhù)實(shí)際應用的需求，航天航空的材料發(fā)展逐步向輕質(zhì)、高強度逼近。目前，航空航天結構材料主要有鋁合金、鈦合金、纖維復合材料和高溫結構材料。

在航空航天器機體結構材料的應用上，近100年來(lái)，鋁合金都一直長(cháng)盛不衰。特別是20世紀80年代末以來(lái)，隨著(zhù)飛行器損傷容限和耐久性設計準則逐漸形成，對材料的強度、斷裂韌性、耐蝕性、抗疲勞等綜合性能提出了更高要求。鋁合金因其具有質(zhì)量輕、易加工、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，且比強度高于很多合金鋼，故而成為理想的結構材料。

鈦也是20世紀50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結構金屬，相較于鋁合金，鈦合金的強度、耐蝕性和耐熱性都要更好。20世紀50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金?，F在，鈦合金的多功能研究與應用也是目前航空航天領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

相對于鋁、鋼等金屬結構材料，碳纖維增強樹(shù)脂基復合材料具有極高的比強度和比剛度，目前是一種理想的輕質(zhì)高強度航空航天結構材料。同鋁合金相比，用碳纖維復合材料制造的飛機結構，減重效果可達20%～40%。

盡管針對航空航天領(lǐng)域的不同需求，分別有不同的材料可以采用，但航空航天材料性能和質(zhì)量要求極端嚴格、產(chǎn)品制造技術(shù)復雜、成本始終居高不下，這些都嚴重制約著(zhù)材料的應用和發(fā)展。由于飛行器要在各種極端環(huán)境條件下飛行，其材料所涉及的技術(shù)問(wèn)題非常復雜，是材料領(lǐng)域爭相研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

為進(jìn)一步優(yōu)化現有材料的特性，上海交通大學(xué)的團隊開(kāi)始研究往鋁里“摻”陶瓷。對此，王浩偉教授表示，鋁很輕，但強度和硬度不高；而陶瓷的硬度比鋼鐵更優(yōu)，因此二者相結合，制作出來(lái)鋁基復合材料重量輕、硬度大、有韌性又不易斷裂變形。

王浩偉教授介紹，團隊最終采用了“原位自生技術(shù)”，通過(guò)熔體控制自生，陶瓷顆粒的尺寸從幾十微米降低到納米級，突破了國際傳統方法外加陶瓷鋁基復合材料塑性低、加工難等應用瓶頸。

據悉，這種納米陶瓷鋁合金重量輕，且具有高剛度、高強度、抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特點(diǎn)，已在航天、汽車(chē)、先進(jìn)電子設備領(lǐng)域得到了應用。王浩偉教授表示，目前納米陶瓷鋁合金已經(jīng)應用于天宮一號、天宮二號、量子衛星、氣象衛星等關(guān)鍵部件。

據了解，因安徽省淮北市人民政府、上海交通大學(xué)、上海均瑤（集團）有限公司、安徽相邦復合材料有限公司的四方合作，納米陶瓷鋁合金的成果終落地。

對此，上海交大先進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長(cháng)劉燕剛說(shuō)：“如今的四方合作將搭建一個(gè)有利于納米陶瓷鋁合金拓展應用的市場(chǎng)化運作平臺，建立具有自主知識產(chǎn)權的材料生產(chǎn)、產(chǎn)品設計、制造工藝以及使用標準等成套體系。”

此次，上海交通大學(xué)研究團隊對航空航天材料及其制備技術(shù)的突破，無(wú)疑對現代材料技術(shù)有著(zhù)極強的引領(lǐng)和促進(jìn)作用。

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