中国合金材料又获突破，强度比钢铁硬一百倍，助力高端制造轻量化

　　金秋丰收季，好消息频传，最近烯碳铝合金锭坯从上海烯碳金属基复合材料工程中心的生产线上成功下线，这标志着这种复合材料的中试取得了巨大成功。它从仿生学出发，成功解决了石墨烯合金的结构问题，替代传统铝合金，有助于我国航空、高铁、汽车等高端制造领域步入轻量化时代。

　　不仅如此，作为上海市石墨烯产业技术功能型平台推出的首个拳头产品，这才刚刚开始。粉末冶金加上石墨烯，新材料的突破并不容易，那么这款新材料到底有何神器?又将给我国的高端制造带来什么样的格局呢?

　　加入石墨烯成就“王牌”铝合金，国产大飞机、高铁提速、汽车轻量化就靠它

　　最近随着国产大飞机C919第一次动态飞行展示，人们终于可以在实地现场看到国产航空器的从理想变成了现实，也看到了我国高端制造业不断进步和超越的实力。对于国产大飞机来说一方面寻求航空发动机、控制系统等核心部件的国产化，另一方面从新材料、新工艺入手完成制造源头的国产是许多年来几代科学家的梦想。

　　但是面对着千头万绪的研发压力，需要突破的地方实在是太多了。而让大飞机、高铁等轻量化就成为高端制造领域必然地发展方向。

　　国产C919就用铝锂合金为机体减重，在其结构上的占比达到7.4%。但光轻还不行，如果不能解决刚度问题，只能就此止步。于是如何解决铝合金的刚度问题成了大型装备轻量化的最大难题。

　　工业界通常是通过添加各种材料来补足强度，好比给混凝土添加骨料。在铝合金领域，铝锂合金、铝陶合金都是发展方向，而加入碳纳米管、石墨烯等新型增强相形成铝基复合材料更被普遍看好。

　　上海交通大学材料科学与工程学院张荻教授表示，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。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，还能在保持铝合金良好的加工性能基础上极大提高其强度、刚度等力学性能。

　　方向技术虽被前景被看好，但这一技术路线却曾今迟迟不见进展，究其原因就是怎么把石墨烯、碳纳米管放到铝合金中成了最大的问题。虽然粉末冶金技术已经发展迅速，已经能成功解决合金制造难题。可以将纯金属或者其他合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其他各种化合物，最终造出合金毛坯，但是要想取得突破进展，就必须在如何添加上下大功夫。

　　从自然界寻找解决方案，科学难题终于被解开，“微纳叠片粉末冶金”成功面世

　　其实早在20世纪末，日本的科学家们就已经在探索碳纳米管增强铝基复合材料技术，但是遇到的瓶颈无法突破。

　　张荻说：“碳纳米管的直径不及头发丝的千分之一，石墨烯的厚度更是不到头发丝的十万分之一，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。”

　　这个问题也同样困扰着我国的科学家，终于在看到一款贝壳“珍珠母”的叠层结构的时候，大自然的智慧成功地激发了科研人员的新思维。最终在仿生复合技术的支持下，开发出“微纳叠片粉末冶金”这一独创冶金技术。

　　其原理是先将铝制成微纳片状粉末，然后再与碳纳米管和石墨烯在微观尺度下，按照一定比例均匀复合成为“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。

　　为了将这项技术成果转化成实体生产，科研团队不断实践，历经700多个日夜，终于在2019年4月成功完成第一批大规模烯碳铝合金锭坯生产，今年10月成功地完成了中试，也就意味着烯碳铝基复合材料可以快速进入量产阶段了。

　　总结

　　石墨烯、碳纳米管以其特有的力学性能赋予了烯碳铝合金无与伦比的轻量化优势，而我国的科学家借鉴了自然科学研究成果，从贝壳的叠层结构得到灵感，自主创新了“微纳叠片粉末冶金”技术带领中国迈入轻量化时代。

　　而梳理科研的关联，可以发现，基础科学研究真的没有谁最重要，而是相互促进的。我们一直说要突破，其实最大的突破就是创造更多有利的条件，让更多的科研人员扎根基础科学，为全面科研助力。发现贝壳的叠层结构不能造出航空发动机，也不能搞出光刻机，但是只有不断的揭秘大自然，研究大自然，或许全面突破就在这些看似没有实际经济效益的基础科研里。

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