鋁（Al）合金因具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天和5G通訊等高端制造業(yè)領(lǐng)域。同時(shí)，隨著輕量化發(fā)展及節(jié)能減排等越來越高的要求，對鋁合金材料的力學(xué)性能，尤其是高溫力學(xué)性能提出了更高的要求。然而，傳統(tǒng)的鋁合金材料受其強(qiáng)化相高溫不穩(wěn)定等因素的制約，在高溫環(huán)境中將發(fā)生快速軟化而導(dǎo)致其失穩(wěn)，已無法滿足高溫服役環(huán)境下對材料高耐熱性和高強(qiáng)度的迫切要求。

針對上述背景與重大需求，山東大學(xué)劉相法教授團(tuán)隊(duì)與西安交通大學(xué)劉思達(dá)教授團(tuán)隊(duì)圍繞耐熱高強(qiáng)鋁合金新材料進(jìn)行了研究和技術(shù)攻關(guān)。近日，該團(tuán)隊(duì)在350 °C級別耐熱高強(qiáng)鋁合金材料的研發(fā)上取得重要進(jìn)展。他們采用液–固反應(yīng)合成技術(shù)制備出一種可批量生產(chǎn)的高強(qiáng)耐熱Al-Cu復(fù)合材料，在350 °C高溫測試條件下，(8.2AlN+1Al₂O₃)_p/Al-0.9Cu復(fù)合材料具有高達(dá)187 MPa的極限抗拉強(qiáng)度和4.6%的延伸率，遠(yuǎn)高于大多數(shù)已報(bào)道的鋁合金材料。

相關(guān)成果以“A Novel Al-Cu Composite with Ultra-High Strength at 350 °C via Dual-Phase Particle Reinforced Submicron-Structure”為題發(fā)表在材料頂級期刊《Advanced Science》 (中科院1區(qū)TOP期刊，影響因子：15.1)。山東大學(xué)材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一作者單位和第一通訊單位。論文第一作者為山東大學(xué)謝可偉博士生；作者依次為：謝可偉博士生（山東大學(xué)）、聶金鳳副教授（南京理工大學(xué)）、劉暢教授（西安交通大學(xué)）、察文豪碩士生（德國亞琛工業(yè)大學(xué)）、吳戈教授（西安交通大學(xué)）、劉相法教授（山東大學(xué)）、劉思達(dá)教授（西安交通大學(xué)）。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202207208

圖1 耐熱Al-Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能。(a) 350 °C測試條件下拉伸試棒的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖中插圖為應(yīng)變硬化率曲線）；(b)與其它鋁合金/鋁基復(fù)合材料在350 °C測試條件下力學(xué)性能的對比

圖2 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。(a–c) 典型的復(fù)合材料明場TEM圖像；(a1–a4)為(a)的EDS mapping圖；(d) AlN顆粒的HRTEM圖像；(e) Al₂O₃顆粒的HRTEM圖像；(f–g) GP zones的HAADF圖像；(h–i) θ' (Al₂Cu)相的HAADF圖像

圖3 復(fù)合材料的變形機(jī)制。(a–c)經(jīng)350 °C高溫形變后α-Al基體的TEM圖像；(d) HAADF圖像；(e) GPA應(yīng)力圖；(f) 圖(d)與(e)的疊加；(g) 圖(f)的局部放大

基于以上基礎(chǔ)研究，研究團(tuán)隊(duì)首次提出并建立了耐熱高強(qiáng)鋁合金的“三化”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：耐熱相粒子納米化、基體晶粒超細(xì)化、微納晶界骨架化，為耐熱高強(qiáng)輕合金材料的研發(fā)開辟了新思路。該研究對現(xiàn)代發(fā)動機(jī)制造、航空航天和國防等高端裝備制造領(lǐng)域輕量化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和重大的戰(zhàn)略價(jià)值。