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中國(guó)科學(xué)家率先發(fā)明堅(jiān)硬鋁合金，將在高鐵和大飛機(jī)應(yīng)用!

2017-10-30 09:30:50 作者：本網(wǎng)發(fā)布來(lái)源：今日頭條分享至：

過(guò)去在我們的印象里，鋁合金是一種材質(zhì)很輕但是很軟的物質(zhì)。

告別綿軟，中國(guó)科學(xué)家率先發(fā)明堅(jiān)硬鋁合金，將在高鐵和大飛機(jī)應(yīng)用

很多科學(xué)家都希望讓鋁合金能夠變得堅(jiān)硬起來(lái)，但是這樣的夢(mèng)想一個(gè)個(gè)都破碎了。。。。

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中國(guó)科學(xué)家卻實(shí)現(xiàn)了夢(mèng)幻般的突破！

上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張荻教授研究團(tuán)隊(duì)把碳納米管、石墨烯等新型高性能增強(qiáng)相引入到鋁合金中，開(kāi)發(fā)出了高強(qiáng)韌的“烯碳鋁基復(fù)合材料”。該項(xiàng)目將在即將開(kāi)幕的2017年中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)高校展區(qū)亮相！

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相比于現(xiàn)有的商業(yè)鋁合金，這種材料具有同樣的密度，但室溫下其強(qiáng)度提高15~25%、剛度提高15~30%，還能保持相當(dāng)?shù)难由炻剩苽涔に嚪€(wěn)定、加工性能好。此外，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其阻尼性能比相應(yīng)商業(yè)鋁合金提高50~100%，減重的同時(shí)還能帶來(lái)顯著的減振降噪效果。

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

我們先說(shuō)說(shuō)過(guò)去農(nóng)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(jié)實(shí)牢固，其關(guān)鍵就在于所添加稻草桿、瓦礫片的長(zhǎng)短、大小和分布均勻性。

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所以呢在鋁基復(fù)合材料中，鋁合金基體就像是壘墻用的稀泥，鋁基復(fù)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(qiáng)相，并實(shí)現(xiàn)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(xué)性能，其密度只有鋼材的1/6，強(qiáng)度卻超過(guò)鋼材的100倍，剛度與自然界中最硬天然金剛石接近。

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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(jiǎn)化合金成分和加工工藝，還能極大提高鋁合金的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能，同時(shí)保持鋁合金良好的加工性能。

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石墨烯

但是日本科學(xué)家卻始終做不出來(lái)！美國(guó)航天航空局等歐美研究機(jī)構(gòu)和加拿大鋁業(yè)等跨國(guó)企業(yè)，也在競(jìng)相開(kāi)展烯碳鋁基復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)，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(shí)在太小：

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

通常，碳納米管就如同無(wú)數(shù)頭發(fā)絲糾纏成團(tuán)，要把它們一根根在鋁合金中分散開(kāi)來(lái)又不被損傷破壞，著實(shí)困難。

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那么這樣的難題中國(guó)科學(xué)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(jié)構(gòu)，通過(guò)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。

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借鑒貝殼“珍珠母”的疊層結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)最終開(kāi)發(fā)出“微納疊片粉末冶金”這一獨(dú)創(chuàng)的仿生復(fù)合技術(shù)，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(fù)合成為“磚”，然后通過(guò)工藝控制，像壘墻一樣形成“磚砌式”疊層結(jié)構(gòu)的烯碳鋁基復(fù)合材料。

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借助于仿生復(fù)合理念，通過(guò)“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(shù)難題，最終成功實(shí)現(xiàn)了烯碳鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度和韌性的匹配與統(tǒng)一。

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張荻教授現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)型材變形加工

目前這一技術(shù)還被推廣到了鎂合金、銅合金等領(lǐng)域，大大提升了中國(guó)材料的綜合實(shí)力！

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令人振奮的是，這個(gè)項(xiàng)目的產(chǎn)業(yè)化也已經(jīng)開(kāi)始推進(jìn)！

金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成了烯碳鋁基復(fù)合材料小試平臺(tái)，單錠重量超過(guò)200kg，同時(shí)具備多種規(guī)格板材、棒材、復(fù)雜截面異型材的制備加工能力，屬國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

張荻教授團(tuán)隊(duì)正在地方政府支持下，與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合建立工程中心，積極推進(jìn)烯碳鋁基復(fù)合材料的中試研究和應(yīng)用推廣。

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大幅面板材工業(yè)擠壓試驗(yàn)

烯碳鋁基復(fù)合材料構(gòu)件已經(jīng)在我國(guó)350km/h“標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組”樣車上裝車測(cè)試，目前正在進(jìn)行400km/h“標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組”的構(gòu)件研發(fā)，替代鋁合金構(gòu)件預(yù)期可以帶來(lái)10%以上的減重效益，這對(duì)于高鐵安全提速意義重大”。

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