每當(dāng)談及新的民用和軍用發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)，滿足航空行業(yè)的所有期待與需求，以及各個監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求時，專家們的普遍共識是：為了滿足未來的能效和排放要求，材料技術(shù)必須取得巨大的進(jìn)步。因此，為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（Army Research Laboratory, U.S.）決定從“細(xì)微”之處入手——非常“細(xì)微”的地方。

    上圖展示了不同尺寸納米團(tuán)簇的密度。

    ARL實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正致力于開發(fā)具有耐高溫特性的納米材料。考慮到渦輪發(fā)動機(jī)內(nèi)部的溫度可能高達(dá)2500°F（1370?C），很顯然這種特性肯定尤為重要。

    “現(xiàn)在，在一個過去所有人都認(rèn)為永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)的材料類型中，我們得到了一種具有革命性的屬性。”ARL實(shí)驗(yàn)室輕質(zhì)與特種金屬分部材料科學(xué)家Kristopher A. Darling博士表示，“讓我來說的話，我們發(fā)現(xiàn)的這些新屬性非常驚人，可能有潛力為多種應(yīng)用帶來革命性改變。”

    Darling博士表示，他和他的團(tuán)隊(duì)成功得到了一種穩(wěn)定的銅合金結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)這種微結(jié)構(gòu)在高溫下非常牢固。他說，“通常這是不可能的，現(xiàn)在我們正在努力讓這種微觀結(jié)構(gòu)能夠在高溫整合中‘幸免’。”

    美國ARL實(shí)驗(yàn)室輕質(zhì)與特種金屬分部材料科學(xué)家Kristopher A. Darling博士在納米結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一種“革命性屬性”，可能有機(jī)會改變未來的發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域。

    未來，美國國防部對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的依賴不會降低，這意味著以后的發(fā)動機(jī)材料對高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與高熱穩(wěn)定性的要求將越來越高。“這種特殊的材料是銅，但我們不是說你只能在發(fā)動機(jī)中用這一種材料。”Darling博士表示，“但銅可以展示此類微結(jié)構(gòu)可以取得的屬性，這比很多你常見的傳統(tǒng)材料強(qiáng)很多倍。”

    Darling博士的團(tuán)隊(duì)希望他們最終可以將這種優(yōu)秀屬性“復(fù)制”至其他類型的材料中。

    “如果可以為鎳、鈷和鉭等其他材料賦予這些屬性，那我們絕對有機(jī)會掀起一場發(fā)動機(jī)技術(shù)的革命。”Darling博士表示，“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特之處在于這會打破人們對材料系統(tǒng)的原有看法，甚至完全顛倒大家的認(rèn)識，然后告訴人們，那些不可能的事情，其實(shí)是可能的。比如現(xiàn)在，我們就可以在高溫條件下實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度。”

    Darling博士表示，這就是蠕變響應(yīng)的效應(yīng)，也就是說在逐漸升溫的環(huán)境中，材料在持續(xù)壓力的作用之下產(chǎn)生形變的過程。

    “我們在蠕變響應(yīng)過程中看到了幾個數(shù)量級的提升，”他說，“與傳統(tǒng)納米晶體材料相比，蠕變響應(yīng)材料可以表現(xiàn)出6到8個數(shù)量級的提升。”

    很顯然，即使是團(tuán)隊(duì)中的科學(xué)家也在初步測試時感到困惑。“有時候，很多成果都是偶然或走運(yùn)發(fā)現(xiàn)的。”Darling表示，“我們開始研究這種材料時就是這種情況，那時的實(shí)驗(yàn)并沒有朝我們預(yù)想的方向進(jìn)行。”

    Darling與機(jī)械工程師AnthonyRoberts（左）一起在進(jìn)行納米材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

    Darling博士曾向北德克薩斯大學(xué)和亞利桑那州立大學(xué)的同事們尋求幫助，從而確保他們的觀察結(jié)果沒有問題。

    “坦白地說，當(dāng)我告訴他們時，他們也不相信這一切。”他說，“我告訴他們我們發(fā)現(xiàn)了這些屬性，然后他們說這根本不可能發(fā)生。然后，他們開始測試樣品，最后自己也吃了一驚。從那時起，我們都開始興奮了，然后開始繼續(xù)做更多深入的研究。”

    Darling博士已經(jīng)研究了這種材料5年了，他自2009年在北卡州立大學(xué)獲得博士學(xué)位后，就一直在ARL實(shí)驗(yàn)室工作。

    “我剛成為博士后時就開始這項(xiàng)研究了，”Darling博士表示，“現(xiàn)在ARL實(shí)驗(yàn)室中有很多人從一開始就深入?yún)⑴c了這些研究，而且現(xiàn)在也仍在我們的團(tuán)隊(duì)中。之前，我發(fā)表的一些有關(guān)這種合金的文章吸引了一些大學(xué)學(xué)者，現(xiàn)在我們開始一起工作，特別是亞利桑那州立大學(xué)的Kiran Solanki教授和北德克薩斯大學(xué)Rajiv Mishra教授。他們一直在參與我們的項(xiàng)目，負(fù)責(zé)進(jìn)行一些機(jī)械測試和特性方面的工作。我們的研究成果絕對是集體的功勞。”

    目前，團(tuán)隊(duì)希望能夠?qū)⒉牧系膶傩园l(fā)揮到極致，或者說讓這些材料發(fā)揮出最大的潛力。

    Darling教授表示，“關(guān)于如何利用微結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化材料屬性，我們認(rèn)為應(yīng)該還有很大的提升空間。”

    金屬材料的納米技術(shù)研究仍是一個相對較新的領(lǐng)域。僅僅數(shù)十年前，人們還在學(xué)習(xí)如何大規(guī)模合成納米材料，并試圖了解這些材料的基本屬性。

    “我們想要證明的是，這些材料展示了一些與鎳基單晶材料類似的屬性。結(jié)果非常令人震驚，你根本無法想象，這種材料可以表現(xiàn)出如此優(yōu)異的特性。”Darling教授表示，“這樣的材料可能在發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域掀起一場革命，同時造福于多種軍用和民用應(yīng)用。”

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