受钢筋混凝土启发，科学家研发出可耐受500℃高温轻质高强度材料

IT之家 11 月 24 日消息，多伦多大学工程学院研究人员成功研制出一种超轻质、超高强度且耐极端高温的新型复合材料，有望在航空航天及其他高性能工业领域发挥关键作用。

据IT之家了解，该材料可耐受高达 932°F（500°C）的极端温度，由多种金属合金与纳米级析出物构成，其微观结构模仿了钢筋混凝土的结构，只不过将宏观建筑中的钢筋-混凝土体系缩小至微米尺度，形成一种新型金属基复合材料（Metal Matrix Composite, MMC）。

该研究的资深作者、多伦多大学 Yu Zou 教授指出：“钢筋混凝土结构中，钢制钢筋广泛用于增强建筑等大型构筑物中混凝土的结构强度。如今，增材制造（即金属 3D 打印）等新兴技术使我们能够在金属基体中复制这类结构，从而开发出性能前所未有的新型材料。”

研究团队指出，尽管钢铁仍是火车与汽车的主要结构材料，但航空领域因减重需求更青睐铝合金，轻量化（在保持强度的前提下减轻构件重量）可显著降低机器运行所需的能源消耗，提升燃油效率。尤其在航空航天领域，每克重量都很关键。

然而，Yu Zou 实验室博士后研究员、本论文第一作者 Chenwei Shao 强调，传统铝合金存在显著短板：“迄今为止，铝基部件在高温下性能严重退化，温度升高会导致材料显著软化，使其难以满足诸多高温应用场景的需求。”

为攻克这一难题，研究团队受钢筋混凝土结构启发，设计了一种由多种金属组成的复合结构：以钛合金细杆构成“钢筋笼”网络，外部包裹由铝、硅、镁等元素组成的金属基体“水泥”，并进一步引入微米级氧化铝颗粒与硅纳米析出物，模拟混凝土中砂石骨料的作用，从而协同增强整体力学性能。

“在我们的材料中，‘钢筋’是由钛合金细杆构成的网状骨架。”邵晨伟解释道，“得益于金属激光粉末床熔融增材制造技术，我们能通过激光精准熔融金属粉末，自由调控网格尺寸 —— 细杆直径最小可达 0.2 毫米。”随后，团队采用微铸造（micro-casting）工艺将铝基合金填充至骨架间隙，形成致密基体；嵌入其中的氧化铝微粒与硅纳米析出相，则进一步提升了材料强度与热稳定性。

经系统测试，新材料展现出卓越性能：室温下最高屈服强度达约 700 兆帕（MPa），远超普通铝基复合材料的 100–150 MPa；更关键的是其高温表现，在 500°C 时仍能保持 300–400 MPa 的屈服强度，而传统铝基材料此时仅剩约 5 MPa。“事实上，这种新型金属复合材料的高温强度已接近中等强度钢的水平，但重量仅为其三分之一。”Chenwei Shao 表示。

研究团队对其在如此高温下仍能有效抑制性能退化感到惊讶，遂构建了高精度计算机模型深入探究其强化机制。

最终，受广泛应用的钢筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）结构启发，团队融合增材制造与微铸造技术，成功制备出一系列类 RC 结构的铝基复合材料（RC-like Aluminum Matrix Composites, RC-AMCs）。此类材料含有高体积分数的耐热颗粒增强相，可在高达 500°C 的温度下显著抑制强度衰减。相关成果已发表于国际权威期刊《自然・通讯》（Nature Communications）。