极限耐高温：超轻金属复合材料勇闯科技前沿

多伦多大学的研究人员设计了一种新的复合材料，该材料既非常轻又极其坚固——即使在高达500摄氏度的情况下也依然如此。

这种材料在一篇发表在自然通讯上的论文中被描述，由多种金属合金和纳米级沉淀物构成，其结构模仿了钢筋混凝土的结构——但在微观尺度上。

这些特性可能使其在航空航天和其他高性能行业中极为有用。

“钢筋在建筑行业中被广泛使用，以提高建筑物和其他大型结构中混凝土的结构强度，”该研究的主要作者、U of T应用科学与工程学院材料科学与工程系的副教授邹宇说。

“新技术，比如增材制造，也就是3D金属打印，现在让我们能够用金属基复合材料来模仿这种结构。这种方法让我们获得了前所未见的新材料。”

轻质材料在航空航天中的重要性

虽然钢仍然是火车和汽车的主要结构材料，但铝在飞机制造中由于其较低的重量而具有一些优势。

轻量化——在保持组件强度的同时减少其重量——意味着移动车辆所需的动力减少，从而提高燃油效率。这在航空航天中尤为重要，因为每一克都很重要。

但铝合金也有其缺点，陈伟（Chenwei Shao）解释道，他是邹教授实验室的研究员，也是新论文的第一作者。

“到目前为止，铝组件在高温下的性能一直在下降，”Shao说。“基本上，它们越热，变得越软，使其不适合许多应用。”

新复合材料的制作方法

为了克服这个问题，团队旨在构建一种由多种金属组成的复合材料，其结构类似于钢筋混凝土：一个由钢筋组成的笼或网，被水泥、沙子和骨料的基体包围。

“在我们的材料中，‘钢筋网’是由钛合金支柱制成的网状结构，”邵说。“因为我们使用一种增材制造的形式，通过激光照射金属粉末，使其加热成固体金属，我们可以把这个网状结构做成任何想要的大小。支柱的直径可以小到0.2毫米。”

为了填补这些支柱之间的空隙，团队使用了一种称为微铸造的技术，创造出铝、硅和镁等其他元素的基质。这个基质就像水泥一样，把所有部分固定在一起。

通过在“水泥”基质中嵌入微米级的铝土氧化物颗粒和硅纳米沉淀物，进一步增强了材料的强度。这些颗粒就像混凝土中的碎石或骨料。

高温下的测试和性能

接着，团队对新材料进行了多种测试，以评估其强度。

“在室温下，我们测得的最高屈服强度大约是700兆帕；典型的铝基质大约在100到150兆帕之间，”邵说。“但它真正的优势在于高温下。在500摄氏度时，它的屈服强度为300到400兆帕，而传统铝基质的屈服强度大约只有五兆帕。”

"事实上，这种新型金属复合材料的性能与中等强度的钢材相当，但重量仅为其三分之一."

这种材料在如此高温下的抗降解能力让人感到惊讶，因此团队建立了详细的计算机模型以理解其基本机制。

研究共同作者、计算机模拟负责人胡从晨说：“我们发现，在高温下，这种复合材料的变形机制与大多数金属的机制不同。我们把这种新机制称为‘增强孪生’，它使材料即使在高温下也能保持大部分强度。”

未来的工业应用

邹表示，虽然新材料在工业中开始应用可能还需要一段时间，但其发现强调了新兴技术（如增材制造）的优势。

他说：“我们不可能通过其他方式制造这种材料。确实，像这样的材料在大规模生产时成本仍然很高，但在某些应用中，高性能是值得的。随着越来越多的公司投入到先进制造技术中，成本最终会下降。”

“我们认为这是朝着更强、更轻和更高效的车辆迈出的令人振奋的一步。”

更多信息： Chenwei Shao 等，通过借鉴钢筋增强混凝土的结构来提升铝基复合材料的机械性能，《自然通讯》（2025）。 DOI: 10.1038/s41467-025-65234-9

这篇文章最初发表于 Tech Xplore。