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研究背景

航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域提速減重的重大需求對輕質(zhì)金屬材料的耐熱性能提出了更高要求，傳統(tǒng)鋁合金由于高溫下析出相粗化力學(xué)性能急劇下降，300 ℃以上服役性能已達瓶頸（300 ℃ 抗拉強度小于200 MPa，500 ℃ 抗拉強度小于50 MPa）。

由此對于當(dāng)前航空航天等重要領(lǐng)域最為關(guān)心的300~500 ℃溫度區(qū)間，鋁合金使役時出現(xiàn)的力學(xué)性能迅速衰退成為大動力/大功率工作條件下制約結(jié)構(gòu)設(shè)計、影響服役安全的關(guān)鍵短板。因此，持續(xù)推進我國關(guān)于耐熱高強鋁合金的自主研發(fā)工作，特別是面向300~500 ℃中高溫、高應(yīng)力的耐熱鋁合金材料具有重要意義。

成果簡介

天津大學(xué)材料學(xué)院何春年教授團隊創(chuàng)新地提出了一種“界面置換”分散策略，成功實現(xiàn)了全共格、高密度的~5 nm MgO顆粒在鋁合金中的單粒子級均勻分布，從而使所制備的ODS鋁合金在高達500 ℃的溫度下仍然具有史無前例的抗拉強度（~200 MPa）與抗高溫蠕變性能。該工藝過程簡單、物料成本低廉、易于規(guī)?；a(chǎn)，因而具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價值。

相關(guān)研究成果以“Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys”為題發(fā)表于Nature Materials期刊上。論文第一作者為博士生白翔仁，通訊作者為何春年教授與張翔副研究員，合作作者有天津大學(xué)趙乃勤教授、趙冬冬副教授、劉恩佐副教授、戎旭東副研究員、博士生謝昊男、河北工業(yè)大學(xué)靳慎豹教授。該工作得到了國家杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金重點項目、173重點項目等項目的資助。

圖文導(dǎo)讀

目前，提高鋁合金耐熱性能的途徑主要有兩個：一是進一步提升析出相的熱穩(wěn)定性；另一條出路是在基體中引入高穩(wěn)定性的陶瓷相納米顆粒。其中，氧化物陶瓷顆粒由于具有優(yōu)良的強度、耐高溫、熱傳導(dǎo)、耐腐蝕、耐氧化、成本低等特性，受到研究者青睞，如研究者在眾多金屬體系（如Fe、Cu、Ni、Mo等）中通過原位合成氧化物納米顆粒的思路實現(xiàn)了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。然而，以上實現(xiàn)彌散分布的原理是基于氧化物顆粒在基體內(nèi)溶解—析出或是液相混合后將金屬前驅(qū)體還原成金屬基體，對于與氧反應(yīng)活性高、不可化學(xué)還原的輕金屬材料如Al、Mg、Ti等，上述方法則無法適用。迄今為止，如何在鋁合金中實現(xiàn)納米氧化物彌散強化進而改善其高溫力學(xué)性能，仍是鋁合金甚至輕合金體系的國際性科學(xué)與技術(shù)難題。

為此，天津大學(xué)材料學(xué)院何春年教授團隊提出并通過“界面置換”分散策略制備了5 nm級ODS鋁合金，即首先利用金屬鹽前驅(qū)體分解過程中的自組裝效應(yīng)制得了少層石墨包覆的超細MgO顆粒（~5 nm），將納米顆粒之間較強結(jié)合的化學(xué)鍵替換為石墨包覆層之間較弱的范德華力結(jié)合，從而使納米顆粒之間的粘附力降低了2~3個數(shù)量級；在此基礎(chǔ)上，進一步通過簡單的機械球磨-粉末冶金工藝實現(xiàn)了高體積分數(shù)（8 vol.%）的單粒子級超細MgO顆粒在鋁基體內(nèi)的均勻分散。研究發(fā)現(xiàn)，該材料具有超高的顆粒密度（~9×10²³ m^-3）和界面密度（~1.4×10⁸ m^-1），且MgO顆粒與鋁基體之間的界面具有完美的全共格特性，并形成了Mg-O-Al的強結(jié)合，這類界面有效抑制了空位與原子沿界面和跨界面擴散，顯著降低了界面處的原子擴散速率，因而該ODS鋁合金展示出極其突出的高溫力學(xué)性能與抗高溫蠕變性能，其在300 ℃和500 ℃下的抗拉強度分別為420 MPa和200 MPa；在500 ℃-80 MPa的蠕變條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為~10^-7 s^-1，大幅超越了國際上已報道的鋁基材料的最好水平。

該工作發(fā)展了針對輕質(zhì)金屬材料“高分散性-超細顆粒尺寸-界面共格”協(xié)同調(diào)控的制備新技術(shù)，揭示了超細納米顆粒增強輕質(zhì)金屬的超常耐熱機制，并為開發(fā)耐熱高強輕質(zhì)金屬材料及其航空航天、交通運輸?shù)戎匾I(lǐng)域應(yīng)用提供了新思路。

研究工作在Nature Materials上發(fā)表后，國際著名金屬材料專家、法國格勒諾布爾國立理工學(xué)院Alexis Deschamps教授在Nature Materials的News&views欄目，以“Nano-oxides boost aluminium heat resistance”為題，對這一工作的重要性和潛在影響做了詳細的評論和深入解讀，認為該工作“發(fā)展了新型超細納米氧化物彌散強化合金設(shè)計新策略，使得所制備的鋁合金在高達500 °C時仍具有前所未有的高拉伸強度和抗高溫蠕變性能；發(fā)現(xiàn)了超細氧化物/金屬高度共格特性對界面處空位形成的強烈抑制并阻礙晶粒粗化的新機制，也為鋁合金在高溫環(huán)境中的應(yīng)用開辟了嶄新領(lǐng)域，具有更輕質(zhì)的優(yōu)勢使它們能夠與某些鈦合金一較高下”。

圖1：超細MgO納米顆粒在鋁基體中的均勻分散

圖2：材料優(yōu)異的室/高溫力學(xué)性能

圖3：優(yōu)異的蠕變性能

圖4：全共格的MgO/Al界面結(jié)合

圖5：優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性

課題組簡介

天津大學(xué)材料學(xué)院何春年團隊多年來一直從事碳納米相增強金屬基結(jié)構(gòu)與儲能復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究，在金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域內(nèi)具有較大影響力。團隊成員共12人，其中教授5人（包括國家萬人計劃教學(xué)名師1人，國家杰青1人，長江學(xué)者1人），副高職稱導(dǎo)師6人（包括2名英才副教授）。團隊成員專業(yè)互補性強、實驗與計算模擬密切結(jié)合，年齡結(jié)構(gòu)合理，有良好的學(xué)術(shù)道德和師德師風(fēng)、業(yè)務(wù)水平和綜合素質(zhì)高，富有拼搏和創(chuàng)新精神，完全具備從事重大科研項目研究和培養(yǎng)優(yōu)秀研究生的師資力量。

近年來團隊在Nat Mater (1篇)Prog Mater Sci（1篇）、Nat Comm（1篇）、Acta Materialia(4篇), Adv Mater（3篇）、ACS Nano（2篇）、Adv Funct Mater（2篇）、Adv Energy Mater（6篇）、Nano Energy（2篇）等國際頂級和高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文100余篇，6篇入選ESI高被引論文，申請發(fā)明專利25項。論文他引5000余次，單篇最高他引765次。由趙乃勤和何春年教授領(lǐng)銜的研究成果于2010年和2022年各獲天津市自然科學(xué)一等獎（2項）。

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天津大學(xué)，重磅Nature Materials！

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