科学家发明Cu-Ta-Li合金新型超强耐热材料

突破性的Cu-Ta-Li合金有可能彻底改变航空航天、国防和工业应用。美国陆军研究实验室 (ARL)和利哈伊大学的研究人员开发出了一种先进的纳米结构铜合金，为航空航天、国防和工业应用的高温性能树立了新的标杆。

彩色扫描透射电子显微镜 (STEM) 图像显示了 Cu-Ta-Li 合金中的 Cu3Li 沉淀物。橙色特征主要是合金基质中的 Cu 原子，而蓝色和黄色特征对应于 Cu3Li 沉淀物。黄色代表原子双层复合物中的 Ta 原子，蓝色特征代表 Cu3Li 沉淀物核心中的 Li 原子。图片来源：利哈伊大学

他们的研究发表在《科学》杂志上，提出了一种 Cu-Ta-Li（铜-钽-锂）合金，该合金具有出色的热稳定性和机械强度，是有史以来最具弹性的铜基材料之一。

“这是尖端科学，开发一种新材料，独特地将铜的出色导电性与镍基高温合金的强度和耐用性相结合，”利哈伊大学材料科学与工程系美国铝业基金会名誉教授、该研究的合著者马丁·哈默 (Martin Harmer) 表示。“它为工业和军方提供了为超音速和高性能涡轮发动机制造新材料的基础。”

马丁·哈默 (Martin Harmer)，利哈伊大学材料科学与工程系美国铝业基金会名誉教授。图片来源：利哈伊大学

ARL 和利哈伊大学的研究人员与亚利桑那州立大学和路易斯安那州立大学的科学家合作开发出了这种合金，它能够承受极端高温而不会出现明显的性能下降。

这一突破源于 Cu₃Li 沉淀物的形成，这种沉淀物由富含 Ta 的原子双层复合物稳定，这是利哈伊大学研究人员率先提出的概念。与高温下随时间迁移的典型晶粒边界不同，这种复合物充当了结构稳定剂，可维持纳米晶体结构，防止晶粒生长，并显著提高高温性能。

利哈伊大学研究科学家、研究报告共同作者帕特里克·坎特韦尔指出，这种合金在极端、长期的热暴露和机械应力下仍能保持其形状，即使在接近熔点时也能抵抗变形。

通过将镍基高温合金的高温弹性与以优异的导电性而闻名的铜相结合，该材料为下一代应用铺平了道路，包括热交换器、先进的推进系统以及尖端导弹和高超音速技术的热管理解决方案。

一类新型高性能材料

这种新型 Cu-Ta-Li 合金具有现有材料所不具备的平衡特性：

• 镍基高温合金（用于喷气发动机）强度极高，但缺乏铜合金的高热导率。

• 钨基合金具有极高的耐热性，但密度高且难以制造。

• 这种 Cu-Ta-Li 合金结合了铜的卓越导热性和导电性，同时在极端温度下仍能保持强度和稳定性。

• 虽然它不能直接替代超高温应用中的传统高温合金，但它有可能在下一代工程解决方案中对其进行补充。

研究人员如何制作和测试它

该团队采用粉末冶金和高能低温研磨技术合成了这种合金，确保了其精细的纳米结构。然后他们对其进行了以下处理：

• 在800°C下进行10000小时（一年多）的退火，测试其长期稳定性。

• 先进的显微镜技术，揭示了 Cu₃Li 沉淀物结构。

• 抗蠕变实验，确认其在极端条件下的耐久性。

• 利用密度泛函理论（DFT）进行计算建模，验证了Ta双层复合物的稳定作用。

专利、资金和未来工作

美国陆军研究实验室获得了该合金的美国专利（US 11，975，385 B2），凸显了其战略意义，特别是在军用热交换器、推进系统和高超音速飞行器等国防应用方面。

这项研究得到了美国陆军研究实验室、美国国家科学基金会和利哈伊大学校长纳米人机界面 (NHI) 计划的支持，该计划旨在促进纳米技术的创新。利哈伊大学与 ARL 的长期合作关系已持续十多年，在推动材料科学的发展方面发挥了重要作用。

科学家表示，进一步的研究将包括直接测量该合金与镍基替代品的热导率，为其潜在应用做好准备，以及按照类似的设计策略开发其他高温合金。

“该项目很好地体现了联邦政府对基础科学的投资如何推动美国在材料技术领域的领先地位，”哈默说。“这样的科学发现是加强国家安全和推动工业创新的关键。”

编译自/ScitechDaily