上財研院創奇功!合金材料再獲突破,強度提升百倍,高鐵或再提速

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其實現在在世界上有很多的尖端技術，並不是說技術本身有多麼先進，而是說對材料的要求達到了預期的目標。此前一度成為我國瓶頸的特種鋼領域、航空輪胎領域、以及晶片（半導體材料）領域，無一不是由於材料的一方面重要原因所導致。舉例來說，目前全球空軍都在追求的第五代隱身戰機，說得簡單一點，戰機表面的隱身塗層才真正決定了戰機的隱身性能。

因此從中可以看出一種新材料對於一個領域的發展是多麼重要。而事實上！我國在材料問題上，始終沒有得到根治，但在近幾年，我國材料領域如同雨後春筍般迅猛發展，大有反轉之勢頭。而在此前，一連串的好消息悄然而至，讓廣大國民甚是高興，尤其是在烯碳鋁合金這一「王牌領域」。

事實上！從某種程度上講，鋁合金是材料上最重要的一環。我們可以看到，人們生活中幾乎處處可見的鋁合金在剛出現時，以其韌性好、耐腐蝕、高強度、重量輕等諸多優點，深受人們的喜愛。因此合金領域一直是各國投入大量財力物力爭相研究的領域。根據相關資料，國際上鋁合金技術的超強發展，日本一直佔主導地位，美國次之，隨後是歐洲。

就我國而言，由於我國鋁業產業集中度不高、鋁合金生產工藝落後、產品質量提升進程緩慢、高端產品主要依靠進口等原因，我們也必須認識到自己的不足。伴隨著工業製造業對鋁合金需求的增加，2017年開始，我國鋁合金進口量開始有所增長，2018年，中國鋁合金進口量4.45萬噸，同比增長6.46%。2019年，我國鋁合金進口量仍舊大幅擴張。這足見我國在這一方面的巨大缺口。

而這一局面在現階段在逐漸發展改光。比如，之前陝西的一家科技公司經過科技人員幾十年的辛勤耕耘，終於在近期研製出了屬於中國的超強鋁合金材料。這種鋁合金材料——7Y69被稱為世界上「最強抗拉強度」，一經問世便贏得了世界各國的廣泛關注。

公司也同樣憑藉這種超強材料，一舉斬獲合金領域數十項專利。此前，日本是最具話語權的國家，他們開發出了高達900兆帕的鋁合金。接下來就是美國了，他們研發出了強度達到855兆帕的鋁合金，而歐洲的鋁合金大約可以達到840兆帕。但此次中國研發的鋁合金強度，卻把世界上的標準直接提高到了917兆帕到957兆帕。中國鋁業一躍躍居世界鋁業第一。

更加令人欣喜的是，這種超強鋁合金材料不僅成為世界上強度最高的材料，而且其屈服強度還可以達到874到895兆帕。這些指標在世界上處於領先地位。這種先進材料的出現，不僅為軍事領域帶來了巨大的應用空間，在民用領域也有不低的應用空間。

而且今天要講的是比這更重要的烯碳鋁合金，算是鋁合金材料的升級版本。大家知道！高鐵出行已成為我們每天的普遍選擇，中短途的出行，相比於飛機因天氣不確定因素的停飛及繁瑣的登機前後準備工作、，高鐵出行更顯便利、快捷。如今烯碳鋁合金鑄錠的誕生，將再一次將我國運營高速鐵路的速度提升，為我國高速高鐵「王國」打下堅實的基礎。

具體來說，此前喜訊傳來，烯碳鋁合金的鑄錠在上海烯碳金屬基複合材料工程中心研究院的生產線上成功下線，標誌著該複合材料的試製取得重大成功。以仿生學為基礎，成功地解決了石墨烯合金替代傳統鋁合金的結構問題，使我國航空、高鐵、汽油機等高車端製造進入輕量化時代。

不僅如此，作為上海市石墨烯產業第一家技術功能性平臺的拳頭產品，這才剛剛起步。粉末加上石墨烯，新材料的突破並不容易，那麼這種新材料究竟有什麼神器呢？我國的高端製造業又將呈現出怎樣的格局呢？

具體來說，此前隨著國產大型飛機C919首次動態試飛，人們終於能在現實生活中看到國產飛機從理想變為現實，也能看到我國高端製造業的不斷進步與超越。對國產大型飛機而言，一方面追求航空發動機、控制系統等核心部件的國產化，另一方面以新材料、新工藝為起點，實現國產製造，是幾代科學家的夢想。

但面對千頭萬緒的研發壓力，需要突破的地方實在太多了。使大型飛機、高鐵等輕型化成為高端製造領域的必然發展方向。就是用國產C919鋁鋰合金對機體進行減重，其結構的比例達到了7.4%。但是輕便是不行的，如果解決不了剛度問題，就只能到此為止。因此，解決鋁合金材料剛度問題成為大型裝備輕質化的最大難題。

工業通常是通過增加各種材料來提高強度，就像在混凝土中添加骨料一樣。鋁鋰合金和鋁陶合金都是鋁合金領域的發展方向，以碳納米管、石墨烯等新型增強相的加入形成鋁基複合材料的前景較好。

據上海交通大學材料科學與工程學院張荻教授介紹，碳納米管和石墨烯的力學性能極佳，它們的密度僅是鋼的1/6，但強度卻高達鋼的100倍以上，剛度接近自然界中最硬的天然鑽石。只需將少量的碳納米管和石墨烯均勻分散於鋁合金基體中，即可部分地替代昂貴的合金元素，在保持鋁合金良好的加工性能的基礎上，大大提高其強度、剛度等機械性能。

這項技術雖被前景被看好，但這條技術路線至今仍未取得進展，原因在於如何將石墨烯、碳納米管等應用到鋁合金中成為最大的難題。儘管粉末冶金技術發展很快，但已成功解決了合金製造的難題。純金屬或其它合金，非金屬，金屬與非金屬的混合物，以及各種其它化合物，最終形成合金坯料，但要取得突破性進展，還需要更多的努力。。

但令人驚喜的是，張荻擅長向自然要靈感，他借鑑貝殼「珍珠母」的層疊結構，最終發展出「微納疊片粉末冶金」這一創新的仿生複合技術：首先用鋁製成微納片狀粉末，然後在微觀上與碳納米管和石墨烯均勻複合成「磚」，然後通過工藝控制，像壘牆一樣，形成「磚」型層疊結構的烯碳鋁複合材料。

實驗結果最終將用於上海交通大學的科技成果轉化，上海交通大學與上海市石墨烯產業技術功能平臺共同組成上海烯碳金屬基複合材料工程中心，啟動產品中試。為適應項目的核心設備型式壓機的需要，石墨烯平臺為項目提供了600平方米的廠房，高11米，並對基礎和線路進行了改造。

同時，他們也從世界範圍內各種石墨烯粉末中選出了最適合加入鋁合金的材料。到目前為止，該工程中心已形成年產量20噸的試產生產線，可製備單重達 0.5噸的錠坯，並研發出中強、高強、超高強等系列高模量烯碳鋁合金。

鑄造鋁合金下遊需求分布

該工程中心與中航工業、中國航天科技和中國中車集團等國內應用單位合作，對烯碳鋁合金材料在飛機、航天運載結構、「標準動車組」列車、新能源汽車等設備中的應用進行了驗證。

接著，烯碳金屬基複合材料工程中心進一步整合雙方優勢資源，對接上海市優勢產業，加快應用研究與推廣，率先突破烯碳鋁合金新材料。而為了將技術成果轉化成實體生產，科研團隊在寶山超能新材料科創園的中試車間內不斷實踐，歷經700多個日夜，終於成功下線。

總體而言，石墨烯、碳納米管以其獨特的力學性能，為碳納米管鋁合金提供了無與倫比的輕量化優勢，而我國科學家借鑑自然科學的研究成果，從殼層結構中獲得靈感，自主創新「微納疊片式粉末冶金」技術，將中國帶入輕量化時代。此外，而隨著我國合金企業的普遍重視，相信在不久的將來，我國並將從進口大國，轉變為輸出強國。讓我們拭目以待！