纳米陶铝合金：引领材料轻量化革命

从陶瓷刀、陶瓷装甲到陶瓷防弹衣，论硬度陶瓷比钢铁硬很多，却性脆易碎；铝则是最常用的轻金属，韧性不错，但易变形。科研人员艰辛探索让它们克服“缺点”、保持“优点”的方法。上海交通大学材料科学与工程学院教授王浩伟团队成功研制出的纳米陶铝合金，兼具两者优点。

专家们认为，这种纳米陶瓷铝合金不仅重量轻，且具有高刚度、高强度、抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特点，其刚强度甚至超过“太空金属”钛合金。王浩伟形象地说：“打个比方说，铝就是人的肉， 陶就是长在里面的骨头，给了材料强度。”

目前，该材料已经用于天宫一号、天宫二号、量子卫星、气象卫星等关键部件翱翔于太空。未来将走进民航、汽车等领域，有望引领材料轻量化革命。

铝里“掺”陶瓷的办法说起来容易，实际做起来没那么简单。王浩伟介绍，目前国际上传统方法是先把陶瓷制成颗粒或纤维，然后用搅拌铸造或粉末冶金的方法混入铝合金中获得铝基复合材料，这种办法能提高材料的强度和刚度，可是又会出现加工成形困难、强度及塑性差和性能不稳定等一系列问题，严重阻碍了这种材料的工程应用。

“既然用物理方法从外面往铝里掺陶瓷的路走不通了，我们又想了另外一个办法——‘无中生有’，让陶瓷自己从铝里‘长’出来，这样两种材料就能相容了，如果再搞成纳米，就把陶瓷的属性真正加到了铝里面，生成了一种浑然一体的新材料。”王浩伟说。他们最终采用了“原位自生技术”，通过熔体控制自生，陶瓷颗粒的尺寸由外加法的几十微米降低到纳米级，突破了外加陶瓷铝基复合材料塑性低、加工难等应用瓶颈。

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。

据介绍，该材料的研发到应用，历经了30余年的漫长时间。从上世纪90年代，我国复合材料的创始人之一吴人洁教授最早提出采用“原位自生”方法算起，该材料的研制成功，凝聚了五代上交大材料人心血。

“一代材料，一代飞机。”中国商用飞机有限责任公司副总经理、国产大飞机C919总设计师吴光辉说，从木飞机、铝飞机到碳飞机，目前铝锂合金材料和碳纤维复合材料是新一代飞机研制较为理想的结构材料。宽体客机更适用碳纤维复合材料，而C919这类窄体客机则更需要金属复合材料。“这种新材料比已有的金属复合材料都好。”他透露，这一陶铝材料正进行型材测试，有望拓展到板材、锻件测试，具备发展为下一代航空新材料的潜力。交大团队也正加紧和中航商用航空发动机有限责任公司合作，包括多种航空发动机叶片试验，助推国产大飞机用上自主知识产权的新材料。

王浩伟介绍，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。

中国复合材料学会副理事长、西北工业大学材料学教授成来飞高度评价该种材料的诞生，认为其在航空等领域提供了全新的材料解决方案，在一些性能上甚至超越了钛合金。