過去在我們的印象里，鋁合金是一種材質很輕但是很軟的物質。

    很多科學家都希望讓鋁合金能夠變得堅硬起來，但是這樣的夢想一個個都破碎了。。。。

    中國科學家卻實現了夢幻般的突破！

    上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室的張荻教授研究團隊把碳納米管、石墨烯等新型高性能增強相引入到鋁合金中，開發出了高強韌的“烯碳鋁基復合材料”。該項目將在即將開幕的2017年中國國際工業博覽會高校展區亮相！

    相比于現有的商業鋁合金，這種材料具有同樣的密度，但室溫下其強度提高15~25%、剛度提高15~30%，還能保持相當的延伸率，制備工藝穩定、加工性能好。此外，由于其獨特的結構，其阻尼性能比相應商業鋁合金提高50~100%，減重的同時還能帶來顯著的減振降噪效果。

    其實把碳納米管和石墨烯加入鋁合金中的設想在20年前就有了，但是卻遲遲無法突破！

    我們先說說過去農村壘土筑墻，泥瓦匠通常在稀泥中添加一定量的稻草桿、瓦礫片能夠使泥墻卻變得更結實牢固，其關鍵就在于所添加稻草桿、瓦礫片的長短、大小和分布均勻性。

    所以呢在鋁基復合材料中，鋁合金基體就像是壘墻用的稀泥，鋁基復合材料性能的好壞就在于選擇高性能的“稻草桿、瓦礫片”作為增強相，并實現其在鋁合金基體“泥”中的均勻分布。

    碳納米管及石墨烯具有卓越的力學性能，其密度只有鋼材的1/6，強度卻超過鋼材的100倍，剛度與自然界中最硬天然金剛石接近。

碳納米管

    只要有少量的碳納米管及石墨烯被均勻分散到鋁合金基體中，就能部分取代昂貴的合金元素，簡化合金成分和加工工藝，還能極大提高鋁合金的強度、剛度等力學性能，同時保持鋁合金良好的加工性能。

石墨烯

    但是日本科學家卻始終做不出來！美國航天航空局等歐美研究機構和加拿大鋁業等跨國企業，也在競相開展烯碳鋁基復合材料的研究開發，但是收效甚微！

這是為什么呢？

    最主要的原因就在于碳納米管及石墨烯的尺寸實在太小：

    碳納米管“稻草桿”的直徑不及頭發絲的千分之一，石墨烯“瓦礫片”的厚度更是不到頭發絲的十萬分之一。

    通常，碳納米管就如同無數頭發絲糾纏成團，要把它們一根根在鋁合金中分散開來又不被損傷破壞，著實困難。

    那么這樣的難題中國科學家是怎么破解的呢？

    他們向大自然找解決方法，選擇了最典型的貝殼“珍珠母”作為模板。貝殼“珍珠母”具有類似磚墻的層狀結構，通過文石晶片的有序交疊，其韌性比普通的脆性陶瓷提高3000倍以上。

    借鑒貝殼“珍珠母”的疊層結構，團隊最終開發出“微納疊片粉末冶金”這一獨創的仿生復合技術，先將鋁制成微納片狀粉末，再與碳納米管和石墨烯在微觀尺度下均勻復合成為“磚”，然后通過工藝控制，像壘墻一樣形成“磚砌式”疊層結構的烯碳鋁基復合材料。

    借助于仿生復合理念，通過“微納疊片粉末冶金”攻克了碳納米管及石墨烯在鋁合金基體中的有效均勻分散等技術難題，最終成功實現了烯碳鋁基復合材料強度、剛度和韌性的匹配與統一。

張荻教授現場指導型材變形加工

    目前這一技術還被推廣到了鎂合金、銅合金等領域，大大提升了中國材料的綜合實力！

    令人振奮的是，這個項目的產業化也已經開始推進！

    金屬基復合材料國家重點實驗室建成了烯碳鋁基復合材料小試平臺，單錠重量超過200kg，同時具備多種規格板材、棒材、復雜截面異型材的制備加工能力，屬國內外先進水平。

    張荻教授團隊正在地方政府支持下，與相關企業聯合建立工程中心，積極推進烯碳鋁基復合材料的中試研究和應用推廣。

大幅面板材工業擠壓試驗

    烯碳鋁基復合材料構件已經在我國350km/h“標準動車組”樣車上裝車測試，目前正在進行400km/h“標準動車組”的構件研發，替代鋁合金構件預期可以帶來10%以上的減重效益，這對于高鐵安全提速意義重大”。

    未來烯碳鋁基復合材料還有望“飛上”藍天、“遨游”太空，率先實現應用突破。

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責任編輯：王元

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