过去在我们的印象里，铝合金是一种材质很轻但是很软的物质。

    很多科学家都希望让铝合金能够变得坚硬起来，但是这样的梦想一个个都破碎了。。。。

    中国科学家却实现了梦幻般的突破！

    上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的张荻教授研究团队把碳纳米管、石墨烯等新型高性能增强相引入到铝合金中，开发出了高强韧的“烯碳铝基复合材料”。该项目将在即将开幕的2017年中国国际工业博览会高校展区亮相！

    相比于现有的商业铝合金，这种材料具有同样的密度，但室温下其强度提高15~25%、刚度提高15~30%，还能保持相当的延伸率，制备工艺稳定、加工性能好。此外，由于其独特的结构，其阻尼性能比相应商业铝合金提高50~100%，减重的同时还能带来显著的减振降噪效果。

    其实把碳纳米管和石墨烯加入铝合金中的设想在20年前就有了，但是却迟迟无法突破！

    我们先说说过去农村垒土筑墙，泥瓦匠通常在稀泥中添加一定量的稻草杆、瓦砾片能够使泥墙却变得更结实牢固，其关键就在于所添加稻草杆、瓦砾片的长短、大小和分布均匀性。

    所以呢在铝基复合材料中，铝合金基体就像是垒墙用的稀泥，铝基复合材料性能的好坏就在于选择高性能的“稻草杆、瓦砾片”作为增强相，并实现其在铝合金基体“泥”中的均匀分布。

    碳纳米管及石墨烯具有卓越的力学性能，其密度只有钢材的1/6，强度却超过钢材的100倍，刚度与自然界中最硬天然金刚石接近。

碳纳米管

    只要有少量的碳纳米管及石墨烯被均匀分散到铝合金基体中，就能部分取代昂贵的合金元素，简化合金成分和加工工艺，还能极大提高铝合金的强度、刚度等力学性能，同时保持铝合金良好的加工性能。

石墨烯

    但是日本科学家却始终做不出来！美国航天航空局等欧美研究机构和加拿大铝业等跨国企业，也在竞相开展烯碳铝基复合材料的研究开发，但是收效甚微！

这是为什么呢？

    最主要的原因就在于碳纳米管及石墨烯的尺寸实在太小：

    碳纳米管“稻草杆”的直径不及头发丝的千分之一，石墨烯“瓦砾片”的厚度更是不到头发丝的十万分之一。

    通常，碳纳米管就如同无数头发丝纠缠成团，要把它们一根根在铝合金中分散开来又不被损伤破坏，着实困难。

    那么这样的难题中国科学家是怎么破解的呢？

    他们向大自然找解决方法，选择了最典型的贝壳“珍珠母”作为模板。贝壳“珍珠母”具有类似砖墙的层状结构，通过文石晶片的有序交叠，其韧性比普通的脆性陶瓷提高3000倍以上。

    借鉴贝壳“珍珠母”的叠层结构，团队最终开发出“微纳叠片粉末冶金”这一独创的仿生复合技术，先将铝制成微纳片状粉末，再与碳纳米管和石墨烯在微观尺度下均匀复合成为“砖”，然后通过工艺控制，像垒墙一样形成“砖砌式”叠层结构的烯碳铝基复合材料。

    借助于仿生复合理念，通过“微纳叠片粉末冶金”攻克了碳纳米管及石墨烯在铝合金基体中的有效均匀分散等技术难题，最终成功实现了烯碳铝基复合材料强度、刚度和韧性的匹配与统一。

张荻教授现场指导型材变形加工

    目前这一技术还被推广到了镁合金、铜合金等领域，大大提升了中国材料的综合实力！

    令人振奋的是，这个项目的产业化也已经开始推进！

    金属基复合材料国家重点实验室建成了烯碳铝基复合材料小试平台，单锭重量超过200kg，同时具备多种规格板材、棒材、复杂截面异型材的制备加工能力，属国内外先进水平。

    张荻教授团队正在地方政府支持下，与相关企业联合建立工程中心，积极推进烯碳铝基复合材料的中试研究和应用推广。

大幅面板材工业挤压试验

    烯碳铝基复合材料构件已经在我国350km/h“标准动车组”样车上装车测试，目前正在进行400km/h“标准动车组”的构件研发，替代铝合金构件预期可以带来10%以上的减重效益，这对于高铁安全提速意义重大”。

    未来烯碳铝基复合材料还有望“飞上”蓝天、“遨游”太空，率先实现应用突破。

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责任编辑：王元

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