科學家研出可耐受500℃高溫材料

    加拿大多倫多大學研究團隊研發出一種新型複合材料，在五百攝氏度高溫環境下仍能保持輕質高強的特性，有望應用於航空航天領域。相關成果發表於新一期《自然 · 通訊》雜誌。

    該研究團隊借鑒鋼筋混凝土的構造原理，通過3D金屬列印技術，構建出獨特的金屬基複合材料。這種材料以鈦合金網狀結構為“鋼筋骨架”，再通過微鑄技術填充鋁矽鎂合金作為“水泥基質”，其中還分佈着強化性能的納米級沉澱顆粒。

    相較於傳統鋁合金在高溫下易軟化（500℃時強度僅約5兆帕）的缺陷，新材料的性能表現令人驚豔。室溫條件下屈服強度達七百兆帕，五百攝氏度高溫環境下仍保持三百至四百兆帕的強度，堪比中檔鋼材，重量卻減輕三分之二。屈服強度是材料科學中的一個重要概念，指材料在受到外力作用時開始發生塑性變形的應力極限。

    研究團隊指出，儘管鋼鐵仍是火車與汽車的主要結構材料，但航空領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。尤其在航空航天領域，每克重量都很關鍵。然而，實驗室博士後研究員、本論文第一作者邵晨偉（音譯）強調，傳統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，溫度升高會導致材料顯著軟化，使其難以滿足諸多高溫應用場景的需求。”為攻克這一難題，研究團隊受鋼筋混凝土結構啟發，設計了一種由多種金屬組成的複合結構：以鈦合金細杆構成“鋼筋籠”網絡，外部包裹由鋁、矽、鎂等元素組成的金屬基體“水泥”，並進一步引入微米級氧化鋁顆粒與矽納米析出物，模擬混凝土中砂石骨料的作用，從而協同增強整體力學性能。

    “在我們的材料中，‘鋼筋’是由鈦合金細杆構成的網狀骨架。”邵晨偉解釋道，“得益於金屬鐳射粉末床熔融增材製造技術，我們能通過鐳射精準熔融金屬粉末，自由調控網格尺寸——細杆直徑最小可達○點二毫米。”隨後，團隊採用微鑄造工藝將鋁基合金填充至骨架間隙，形成緻密基體；嵌入其中的氧化鋁微粒與矽納米析出相，則進一步提升了材料強度與熱穩定性。

    團隊還通過電腦類比發現，新材料在高溫下通過“增強孿晶”這一獨特變形機制維持強度。這項突破展現了增材製造技術的創新潛力，為研製更輕、更強、更節能的交通工具開闢了新路徑。

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