鋁（Al）合金因具有密度低、比強度高、耐腐蝕性能好、可循環利用等優點，越來越廣泛地應用于交通運輸、航空航天和5G通訊等高端制造業領域。同時，隨著輕量化發展及節能減排等越來越高的要求，對鋁合金材料的力學性能，尤其是高溫力學性能提出了更高的要求。然而，傳統的鋁合金材料受其強化相高溫不穩定等因素的制約，在高溫環境中將發生快速軟化而導致其失穩，已無法滿足高溫服役環境下對材料高耐熱性和高強度的迫切要求。

針對上述背景與重大需求，山東大學劉相法教授團隊與西安交通大學劉思達教授團隊圍繞耐熱高強鋁合金新材料進行了研究和技術攻關。近日，該團隊在350 °C級別耐熱高強鋁合金材料的研發上取得重要進展。他們采用液–固反應合成技術制備出一種可批量生產的高強耐熱Al-Cu復合材料，在350 °C高溫測試條件下，(8.2AlN+1Al₂O₃)_p/Al-0.9Cu復合材料具有高達187 MPa的極限抗拉強度和4.6%的延伸率，遠高于大多數已報道的鋁合金材料。

相關成果以“A Novel Al-Cu Composite with Ultra-High Strength at 350 °C via Dual-Phase Particle Reinforced Submicron-Structure”為題發表在材料頂級期刊《Advanced Science》 (中科院1區TOP期刊，影響因子：15.1)。山東大學材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室為論文第一作者單位和第一通訊單位。論文第一作者為山東大學謝可偉博士生；作者依次為：謝可偉博士生（山東大學）、聶金鳳副教授（南京理工大學）、劉暢教授（西安交通大學）、察文豪碩士生（德國亞琛工業大學）、吳戈教授（西安交通大學）、劉相法教授（山東大學）、劉思達教授（西安交通大學）。該研究得到了國家自然科學基金重點項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202207208

圖1 耐熱Al-Cu復合材料的力學性能。(a) 350 °C測試條件下拉伸試棒的工程應力-應變曲線（圖中插圖為應變硬化率曲線）；(b)與其它鋁合金/鋁基復合材料在350 °C測試條件下力學性能的對比

圖2 復合材料的微觀結構。(a–c) 典型的復合材料明場TEM圖像；(a1–a4)為(a)的EDS mapping圖；(d) AlN顆粒的HRTEM圖像；(e) Al₂O₃顆粒的HRTEM圖像；(f–g) GP zones的HAADF圖像；(h–i) θ' (Al₂Cu)相的HAADF圖像

圖3 復合材料的變形機制。(a–c)經350 °C高溫形變后α-Al基體的TEM圖像；(d) HAADF圖像；(e) GPA應力圖；(f) 圖(d)與(e)的疊加；(g) 圖(f)的局部放大

基于以上基礎研究，研究團隊首次提出并建立了耐熱高強鋁合金的“三化”設計準則：耐熱相粒子納米化、基體晶粒超細化、微納晶界骨架化，為耐熱高強輕合金材料的研發開辟了新思路。該研究對現代發動機制造、航空航天和國防等高端裝備制造領域輕量化發展具有重要的現實意義和重大的戰略價值。