中國合金材料又獲突破，強度比鋼鐵硬一百倍，助力高端製造輕量化

金秋豐收季，好消息頻傳。最近，烯碳鋁合金錠坯從上海烯碳金屬基複合材料工程中心的生產線上成功下線，這標誌著這種複合材料的中試取得了巨大成功。它從仿生學出發，成功解決了石墨烯合金的結構問題，替代傳統鋁合金，有助於我國航空、高鐵、汽車等高端製造領域步入輕量化時代。

不僅如此，作為上海市石墨烯產業技術功能型平臺推出的首個拳頭產品，這才剛剛開始。粉末冶金加上石墨烯，新材料的突破並不容易，那麼這款新材料到底有何神器？又將給我國的高端製造帶來什麼樣的格局呢？

加入石墨烯成就"王牌"鋁合金，國產大飛機、高鐵提速、汽車輕量化就靠它

最近隨著國產大飛機C919第一次動態飛行展示，人們終於可以在實地現場看到國產航空器的從理想變成了現實，也看到了我國高端製造業不斷進步和超越的實力。對於國產大飛機來說一方面尋求航空發動機、控制系統等核心部件的國產化，另一方面從新材料、新工藝入手完成製造源頭的國產是許多年來幾代科學家的夢想。

但是面對著千頭萬緒的研發壓力，需要突破的地方實在是太多了。而讓大飛機、高鐵等輕量化就成為高端製造領域必然的發展方向。

國產C919就用鋁鋰合金為機體減重，在其結構上的佔比達到7.4%。但光輕還不行，如果不能解決剛度問題，只能就此止步。於是如何解決鋁合金的剛度問題成了大型裝備輕量化的最大難題。

工業界通常是通過添加各種材料來補足強度，好比給混凝土添加骨料。在鋁合金領域，鋁鋰合金、鋁陶合金都是發展方向，而加入碳納米管、石墨烯等新型增強相形成鋁基複合材料更被普遍看好。

上海交通大學材料科學與工程學院張荻教授表示，碳納米管及石墨烯具有卓越的力學性能，其密度只有鋼材的1/6，強度卻超過鋼材的100倍，剛度與自然界中最硬天然金剛石接近。只要有少量的碳納米管及石墨烯被均勻分散到鋁合金基體中，就能部分取代昂貴的合金元素，還能在保持鋁合金良好的加工性能基礎上極大提高其強度、剛度等力學性能。

方向技術雖被前景被看好，但這一技術路線卻曾今遲遲不見進展，究其原因就是怎麼把石墨烯、碳納米管放到鋁合金中成了最大的問題。雖然粉末冶金技術已經發展迅速，已經能成功解決合金製造難題。可以將純金屬或者其他合金、非金屬、金屬與非金屬的化合物以及其他各種化合物，最終造出合金毛坯，但是要想取得突破進展，就必須在如何添加上下大功夫。

從自然界尋找解決方案，科學難題終於被解開，"微納疊片粉末冶金"成功面世

其實早在20世紀末，日本的科學家們就已經在探索碳納米管增強鋁基複合材料技術，但是遇到的瓶頸無法突破。

張荻說："碳納米管的直徑不及頭髮絲的千分之一，石墨烯的厚度更是不到頭髮絲的十萬分之一，要把它們一根根在鋁合金中分散開來又不被損傷破壞，著實困難。"

這個問題也同樣困擾著我國的科學家，終於在看到一款貝殼"珍珠母"的疊層結構的時候，大自然的智慧成功的激發了科研人員的新思維。最終在仿生複合技術的支持下，開發出"微納疊片粉末冶金"這一獨創冶金技術。

其原理是先將鋁製成微納片狀粉末，然後再與碳納米管和石墨烯在微觀尺度下，按照一定比例均勻複合成為"磚"，然後通過工藝控制，像壘牆一樣形成"磚砌式"疊層結構的烯碳鋁基複合材料。

為了將這項技術成果轉化成實體生產，科研團隊不斷實踐，歷經700多個日夜，終於在2019年4月成功完成第一批大規模烯碳鋁合金錠坯生產，今年10月成功地完成了中試，也就意味著烯碳鋁基複合材料可以快速進入量產階段了。

總結：

石墨烯、碳納米管以其特有的力學性能賦予了烯碳鋁合金無與倫比的輕量化優勢，而我國的科學家借鑑了自然科學研究成果，從貝殼的疊層結構得到靈感，自主創新了"微納疊片粉末冶金"技術帶領中國邁入輕量化時代。

而梳理科研的關聯，可以發現，基礎科學研究真的沒有誰最重要，而是相互促進的。我們一直說要突破，其實最大的突破就是創造更多有利的條件，讓更多的科研人員紮根基礎科學，為全面科研助力。發現貝殼的疊層結構不能造出航空發動機，也不能搞出光刻機，但是只有不斷地揭秘大自然，研究大自然，或許全面突破就在這些看似沒有實際經濟效益的基礎科研裡。