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鋁是地殼中含量最為豐富的金屬元素，也是用量僅次于鋼鐵的金屬材料。小到口罩上的鋁制定位條，大到飛機(jī)的鋁合金機(jī)翼，鋁材的身影幾乎無處不在。

隨著高端裝備、航空航天、新能源等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對(duì)鋁材的強(qiáng)度、耐熱、耐磨、剛性等性能提出了更高要求。研發(fā)性能優(yōu)異的新型鋁基材料，已成為我國鋁產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵方向。

面對(duì)這一產(chǎn)業(yè)需求，大連理工大學(xué)遼寧省凝固控制與數(shù)字化制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授李廷舉和主任王同敏帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)突破多項(xiàng)技術(shù)難題，研發(fā)出瓷剛鋁新材料，為我國鋁產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)開辟了新路徑。

實(shí)現(xiàn)剛?cè)嵯酀?jì)

鋁質(zhì)輕、易加工，是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)用材，但柔軟的特性限制了其承載條件。如果將鋁與其他材料結(jié)合，就可制成鋁基復(fù)合材料，取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)材料性能的飛躍。

但鋁基復(fù)合材料繁雜的工藝和昂貴的價(jià)格卻讓很多企業(yè)望而卻步，其應(yīng)用也局限于小批量的特殊場景。高性能、易加工、低成本的鋁基復(fù)合材料從研發(fā)、制造到銷售長期被外國壟斷。

王同敏介紹：“長期以來，我國所生產(chǎn)的鋁基復(fù)合材料往往剛而不柔，成形困難。以顆粒增強(qiáng)6XXX系鋁基復(fù)合材料擠壓型材為例，采用攪拌鑄造或粉末冶金工藝制備的復(fù)合材料延伸率常常不足5%，良品率低。”

為國家鋁工業(yè)由大變強(qiáng)出一份力，一直是實(shí)驗(yàn)室全體人員的信念。王同敏驕傲地告訴記者：“在前人努力的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室科研人員研發(fā)了原位自生鋁基復(fù)合材料?！辈煌趥鹘y(tǒng)外加法制備的鋁基復(fù)合材料，原位自生鋁基復(fù)合材料通過特殊的化學(xué)方法，讓鋁熔體內(nèi)“生長”出剛硬的陶瓷粒子，實(shí)現(xiàn)剛?cè)嵯酀?jì)，有效解決了材料柔而不剛的難題。

攻克技術(shù)難關(guān)

原位自生鋁基復(fù)合材料是通過化學(xué)反應(yīng)，在鋁熔體中生成細(xì)小穩(wěn)定的強(qiáng)化陶瓷粒子，再凝固而成。在制備過程中，如果原位自生的陶瓷粒子分布不均勻，就會(huì)出現(xiàn)“顆粒團(tuán)聚”，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)室科研人員針對(duì)瓷剛鋁制備過程中“顆粒團(tuán)聚”的瓶頸難題，創(chuàng)新性提出了“聲場諧振干預(yù)”技術(shù)。該技術(shù)利用聲空化產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，在復(fù)合材料熔體凝固過程中施加超聲外場振動(dòng)，依靠空化泡破裂產(chǎn)生的局部高速射流，實(shí)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料凝固組織中納米陶瓷粒子的彌散化分布。

技術(shù)原理雖然簡單，但科研人員“二十年磨一劍”，經(jīng)過不斷的攻關(guān)試驗(yàn)，才終于突破上述技術(shù)瓶頸?；诙囗?xiàng)獨(dú)創(chuàng)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)了47項(xiàng)發(fā)明專利，并將這種剛?cè)嵯酀?jì)的新材料命名為——瓷剛鋁新材料。

推動(dòng)行業(yè)發(fā)展

數(shù)據(jù)顯示，瓷剛鋁新材料的鑄態(tài)晶粒尺寸由原來的毫米級(jí)細(xì)化至微米級(jí)，原位自生陶瓷粒子的平均尺寸達(dá)到納米級(jí)。瓷剛鋁制成母材后，既可重熔稀釋進(jìn)行二次合金化，制備新材料，也可以作為添加劑對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行改性，提升性能。除此以外，原位自生陶瓷粒子還可與聲場諧振技術(shù)聯(lián)用，對(duì)再生鋁進(jìn)行處理，使再生鋁材料的鐵含量容限提升一倍以上。

更令人驚喜的是，瓷剛鋁新材料及其相關(guān)技術(shù)還解決了冶金質(zhì)量難題，可以與電解鋁液直供產(chǎn)業(yè)深度融合，使鋁基復(fù)合材料生產(chǎn)流程縮短2/3，能耗大幅降低。

“從2022年開始，已有多家企業(yè)與我們對(duì)接。瓷剛鋁新材料及其相關(guān)技術(shù)改性后的鋁材在一體化壓鑄免熱處理合金、架空鋁導(dǎo)線和海底電纜、航空3D打印金屬粉末、新能源汽車熱管理系統(tǒng)等多個(gè)項(xiàng)目中得到運(yùn)用。”王同敏說。