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研究背景

航空航天、交通運輸等領域提速減重的重大需求對輕質金屬材料的耐熱性能提出了更高要求，傳統鋁合金由于高溫下析出相粗化力學性能急劇下降，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）。

由此對于當前航空航天等重要領域最為關心的300~500 ℃溫度區間，鋁合金使役時出現的力學性能迅速衰退成為大動力/大功率工作條件下制約結構設計、影響服役安全的關鍵短板。因此，持續推進我國關于耐熱高強鋁合金的自主研發工作，特別是面向300~500 ℃中高溫、高應力的耐熱鋁合金材料具有重要意義。

成果簡介

天津大學材料學院何春年教授團隊創新地提出了一種“界面置換”分散策略，成功實現了全共格、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、易于規模化生產，因而具有顯著的工業應用價值。

相關研究成果以“Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys”為題發表于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、河北工業大學靳慎豹教授。該工作得到了國家杰出青年基金、國家自然科學基金重點項目、173重點項目等項目的資助。

圖文導讀

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定性；另一條出路是在基體中引入高穩定性的陶瓷相納米顆粒。其中，氧化物陶瓷顆粒由于具有優良的強度、耐高溫、熱傳導、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了優異的高溫力學性能。然而，以上實現彌散分布的原理是基于氧化物顆粒在基體內溶解—析出或是液相混合后將金屬前驅體還原成金屬基體，對于與氧反應活性高、不可化學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納米氧化物彌散強化進而改善其高溫力學性能，仍是鋁合金甚至輕合金體系的國際性科學與技術難題。

為此，天津大學材料學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體分解過程中的自組裝效應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合的化學鍵替換為石墨包覆層之間較弱的范德華力結合，從而使納米顆粒之間的粘附力降低了2~3個數量級；在此基礎上，進一步通過簡單的機械球磨-粉末冶金工藝實現了高體積分數（8 vol.%）的單粒子級超細MgO顆粒在鋁基體內的均勻分散。研究發現，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，穩態蠕變速率為~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。

該工作發展了針對輕質金屬材料“高分散性-超細顆粒尺寸-界面共格”協同調控的制備新技術，揭示了超細納米顆粒增強輕質金屬的超常耐熱機制，并為開發耐熱高強輕質金屬材料及其航空航天、交通運輸等重要領域應用提供了新思路。

研究工作在Nature Materials上發表后，國際著名金屬材料專家、法國格勒諾布爾國立理工學院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“發展了新型超細納米氧化物彌散強化合金設計新策略，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；發現了超細氧化物/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境中的應用開辟了嶄新領域，具有更輕質的優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：材料優異的室/高溫力學性能

圖3：優異的蠕變性能

圖4：全共格的MgO/Al界面結合

圖5：優異的高溫穩定性

課題組簡介

天津大學材料學院何春年團隊多年來一直從事碳納米相增強金屬基結構與儲能復合材料的基礎研究，在金屬基復合材料領域內具有較大影響力。團隊成員共12人，其中教授5人（包括國家萬人計劃教學名師1人，國家杰青1人，長江學者1人），副高職稱導師6人（包括2名英才副教授）。團隊成員專業互補性強、實驗與計算模擬密切結合，年齡結構合理，有良好的學術道德和師德師風、業務水平和綜合素質高，富有拼搏和創新精神，完全具備從事重大科研項目研究和培養優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術期刊發表SCI論文100余篇，6篇入選ESI高被引論文，申請發明專利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銜的研究成果于2010年和2022年各獲天津市自然科學一等獎（2項）。

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