铝里“长”陶瓷 五代“材料人”助推“材料轻量化革命”

图为王浩伟团队通过拉伸试验机测试陶铝新材料的静态力学性能 新华网 发

新华网上海8月6日电(李晓丹)让铝里“长”出陶瓷,历经30余年,凝结着上海交大五代“材料人”的心血和努力,上海交大材料科学与工程学院王浩伟教授团队让此成为现实,造出了一个陶铝“大力士”——超强纳米陶瓷铝合金。这个“大力士”身轻如燕却力大无穷,比强度和比刚度甚至超过了“太空金属”钛合金,它不仅为具有自主知识产权的“中国制造”增添了一个新成员,还有望“四两扛千斤”,带动航空、汽车、高铁领域步入更轻、更节能的新材料时代。

图为陶铝新材料件与传统材料件的对比。新华网 发

    更轻更强 纳米陶瓷铝合金四两“扛”千斤

陶瓷易碎,但如果只论硬度,陶瓷比钢铁要硬很多;铝很轻,可以使电子产品变得轻薄便携,但它有太软、易变形、易断裂的“弱点”。

有没有可能制作一种材料,把陶瓷的属性掺到铝里,优势互补呢?

这一高强材料在上海交大材料科学与工程学院王浩伟教授团队手中终于“铸就”。

王浩伟表示,这种纳米陶瓷铝合金重量轻,且具有高刚度、高强度、抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特点,即使外来作用力“泰山压顶”,纳米陶瓷铝合金也能做到“岿然不动”,可以称得上是四两“扛”千斤了。

上世纪90年代,我国复合材料的创始人之一、上海交大金属基复合材料国家重点实验室创建者吴人洁教授,最早提出了采用“原位自生”方法在铝合金中长出陶瓷增强体,制备铝基复合材料,进入当时材料制备的“无人区”。

“当时国际上采用的都是铝里‘掺’陶瓷的物理方法,效果都不是很理想;吴人洁教授第一次提出用化学方法在铝里‘长’陶瓷,这是非常新颖的思路。”王浩伟表示,在吴人洁教授和周尧和院士的指导下,他带着团队终于迎来了纳米陶瓷铝合金的诞生。

图为航空涡扇发动机风扇叶片(0.4缩比件)。新华网 发

    “一代材料,一代飞机” 或成为新一代航空材料

把纳米陶瓷颗粒引入到铝合金,提高了材料的刚度、强度,同时保持了铝合金良好的加工制造性能,突破了规模化工程应用的瓶颈,这个“大力士”已在航天、汽车、先进电子设备领域得到了应用。

“一代材料,一代飞机,这种新材料的名字就是我起的。”中国商飞有限责任公司副总经理、国产大飞机C919总设计师吴光辉表示,从莱特兄弟的木制飞机,到铝合金飞机,再到“梦想飞机”787之类的碳纤维复合材料,航空技术的发展和航空材料更新变革密切相关。

重量轻、抗腐蚀、耐疲劳的铝锂合金材料和碳纤维复合材料是目前新一代飞机研制较为理想的结构材料。他透露,交大自主研发的这一陶铝材料,具有更大的减重潜力,而且工艺性好、成本低,有望成为下一代航空新材料,使国产大飞机更轻快、更安全地在蓝天翱翔。后续他们会对这个材料给予更多的关注。

“相比钛合金和高温合金,铝合金3D打印后性能远低于锻件,纳米陶瓷铝合金3D打印构件可以达到锻件的性能。我们现在正加紧和中国商飞、中国商发合作,助推国产大飞机用上这种具有我们中国自主知识产权的新材料。”王浩伟表示,目前纳米陶瓷铝合金已经用于天宫一号、天宫二号、量子卫星、气象卫星等关键部件翱翔于太空。同时,应用于内燃机活塞和汽车关键部件,不仅能有效减重,还可以节能减排、提高安全性。

 多方合作 转化引领新产业

“这是我的第三次创业。”上海均瑶集团总裁王均豪在发布会上表示,当时他向人推介纳米陶瓷铝合金时还被认为是骗子,如今,其有望成为下一代航空新材料。

8月4日,安徽省淮北市人民政府、上海交通大学、上海均瑶(集团)有限公司、安徽相邦复合材料有限公司签署“四方协议”,依托上海交大材料科学与工程学院王浩伟教授团队建设交大陶铝新材料创新中心。

上海交大先进产业技术研究院院长刘燕刚表示,目前王浩伟教授团队已在航发、商发开展多种航空发动机叶片试验,与中国商飞实现深度合作,剑指“新一代航空材料”;在汽车领域,转向节已通过台架试验,内燃机活塞也即将量产。 “如今的四方合作将搭建一个有利于纳米陶瓷铝合金拓展应用的市场化运作平台,建立具有自主知识产权的材料生产、产品设计、制造工艺以及使用标准等成套体系。这一科研成果的落地转化,也是上海交大对接国家重大战略需求、服务行业和产业发展的一次成功实践,它将为社会和经济发展创造更多价值。”刘燕刚说。

“坚持走创新驱动的发展道路,是加快建设制造强国的重要方针,高校作为科技创新的重要基地,是推动创新驱动不可或缺的重要力量,在重大原始创新、共性技术突破、产学研协同创新以及推动成果转化等方面,承担着不可替代的职责与使命。这次纳米陶瓷铝合金成果的成功转化,正是学校多年来不断完善产学研合作机制的重要成果。未来,上海交大将继续在推动科技成果转化的道路上不断努力,进一步打通从实验室到市场的‘绿色通道’,为服务国家、服务社会做出更多贡献。” 上海交大校长、中国工程院院士林忠钦表示。

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责任编辑:桂楷东
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