我國自主研發航空新材料，實現鋁中「自生」陶瓷

上交大研究團隊研發新型材料，並與多家企業合作搭建生產應用平台，極大推進我國航空航天材料的發展和落地。

近日，上海交通大學材料科學與工程學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「太空金屬」鈦合金，有助於將航空航天、高鐵等領域帶入更輕、更節能的新材料時代。

如表所示，伴隨著實際應用的需求，航天航空的材料發展逐步向輕質、高強度逼近。目前，航空航天結構材料主要有鋁合金、鈦合金、纖維複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，鋁合金都一直長盛不衰。特別是20世紀80年代末以來，隨著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。鋁合金因其具有質量輕、易加工、抗腐蝕等優點，且比強度高於很多合金鋼，故而成為理想的結構材料。

鈦也是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，相較於鋁合金，鈦合金的強度、耐蝕性和耐熱性都要更好。20世紀50～60年代，主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金。現在，鈦合金的多功能研究與應用也是目前航空航天領域的研究重點。

相對於鋁、鋼等金屬結構材料，碳纖維增強樹脂基複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高強度航空航天結構材料。同鋁合金相比，用碳纖維複合材料製造的飛機結構，減重效果可達20%～40%。

儘管針對航空航天領域的不同需求，分別有不同的材料可以採用，但航空航天材料性能和質量要求極端嚴格、產品製造技術複雜、成本始終居高不下，這些都嚴重製約著材料的應用和發展。由於飛行器要在各種極端環境條件下飛行，其材料所涉及的技術問題非常複雜，是材料領域爭相研究的重點和熱點。

為進一步優化現有材料的特性，上海交通大學的團隊開始研究往鋁里「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，因此二者相結合，製作出來鋁基複合材料重量輕、硬度大、有韌性又不易斷裂變形。

王浩偉教授介紹，團隊最終採用了「原位自生技術」，通過熔體控制自生，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複合材料塑性低、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，已在航天、汽車、先進電子設備領域得到了應用。王浩偉教授表示，目前納米陶瓷鋁合金已經應用於天宮一號、天宮二號、量子衛星、氣象衛星等關鍵部件。

據了解，因安徽省淮北市人民政府、上海交通大學、上海均瑤（集團）有限公司、安徽相邦複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，上海交大先進產業技術研究院院長劉燕剛說：「如今的四方合作將搭建一個有利於納米陶瓷鋁合金拓展應用的市場化運作平台，建立具有自主知識產權的材料生產、產品設計、製造工藝以及使用標準等成套體系。」

此次，上海交通大學研究團隊對航空航天材料及其製備技術的突破，無疑對現代材料技術有著極強的引領和促進作用。

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