耐500度高温的3D打印铝基复合材料，有望为先进制造带来轻质高强部件

抖音热门 2025年10月28日 15:17 0 admin

钢筋之于混凝土，如同骨骼之于人体——它默默承受拉力，让建筑在风雨中屹立不倒。如今，多伦多大学的研究团队将这一宏观建筑中的智慧“浓缩”到微米尺度，用金属3D打印技术开发新型金属基复合材料，这种材料以钛合金为“钢筋”、铝基合金为“基体”，不仅重量仅为钢的三分之一，还能在500摄氏度高温下保持高强度，为航空航天等领域带来“轻量化+耐高温”的双重突破。相关研究成果已发表在《自然通讯》期刊。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65234-9

迫切需要对抗高温下的强度损失

铝合金是航空、汽车等制造领域重要的轻量化材料。但是由于它们的强度常在高温下发生衰减，因此通常不适用于高温环境。

许多通过传统方法生产的轻质工程材料，特别是在高温环境下，其性能已接近极限。高强度铝合金和铝基复合材料（AMCs）已被开发出来，用于在高达150°C的温度下替代传统的铸造铝合金。虽然通过粉末冶金方法制造的铝合金和复合材料旨在替代钛合金，应用于150–300°C的温度范围，但它们在300°C以上会出现强度损失。大多数商用铝合金或铝基复合材料不适用于高温应用，因为在200–450°C的温度范围内加载时，铝基体中会发生动态回复和再结晶。例如，变形和时效铝合金，如7xxx和2xxx系列，在室温下屈服强度约为600MPa，但在340°C时降至120MPa以下。

迄今为止，制备出一种在350°C以上屈服强度超过200 MPa、且具有与钛（Ti）合金相当的比强度的铝基复合材料，一直是迫切需要的。

从建筑材料的智慧到金属材料的创新

钢筋混凝土（RC）是由水泥、沙石料和钢筋组成的，是现代建筑离不开的材料。之所以得到广泛应用，是源于钢筋混凝土优秀的协同力学性能：沙石料增强的水泥提供高抗压强度，而钢筋提供抗拉强度，从而产生在压缩和拉伸下均坚固的复合材料。

虽然这种理念在建筑宏观世界中得以广泛应用，却很少能够应用于工程合金和复合材料制造领域。主要原因是传统制造工艺在构建跨维度增强体，特别是在用于高温环境的轻质部件背景下仍存在局限性。

多伦多大学的研究人员，在钢筋混凝土的启发下，通过整合结构设计、增材制造、微铸造和热处理，实现了突破，开发出一种新型铝基复合材料（RC-AMCs）。研究团队选择AlSi7Mg合金和Ti6Al4V合金分别作为基体和增强材料，模仿钢筋混凝土的“骨架-基体”结构：用增材制造-金属3D打印技术打造直径仅0.2毫米的钛合金支柱网格作为“钢筋骨架”，通过激光加热金属粉末精准成型，再用微铸造技术注入铝-硅-镁合金作为“粘结基体”，如同水泥填充钢筋间隙。最后嵌入微米级氧化铝颗粒和硅纳米析出物作为“增强骨料”，进一步提升强度。

图1：新型金属基复合材料的显微图像，该材料在微观尺度上模仿了混凝土的结构。来源：多伦多大学

他们的设计思路结合了颗粒增强和层状铝基复合材料的关键优势——颗粒复合材料特有的显著强化效应，以及能够容纳高体积分数增强体而不会引入高孔隙率的能力。

研究团队证明了此类新型铝基复合材料在室温和高温下均表现出优异的抗压强度。

图2a展示了RC-AMCs在室温下的典型压缩应力-应变曲线，表明通过引入钛合金支柱和Al3Ti颗粒，铝合金基体的流变应力显著增加。图2b比较了用不同类型非连续增强体增强的各种铸造AMCs的屈服强度。图2e所示的压缩应力-应变曲线揭示了未增强的AlSi7Mg合金的流变应力随着测试温度从25°C升高到500°C而急剧下降，屈服强度从103 MPa降至5 MPa。相比之下，RC-AMC即使在高达500°C的高温下也能保持高水平的流变应力；图2c RC-AMC即使在高达500°C的高温下也能保持高水平的流变应力。

他们开发的新型铝基复合材料（AMCs），具有高体积分数的耐热颗粒增强体，能有效缓解高达500°C时的强度衰减。研究团队通过结构优化，还证明了这类材料在400°C时实现了极高的压缩屈服强度（高达938 MPa）和比强度（高达235 kN·m/kg），并在论文中指出，这是所有已报道的铝基合金和复合材料中的最高值之一。

研究团队指出，这类新型铝基复合材料对高温软化的增强抵抗能力与温度升高时Al3Ti中出现的异常热孪生有关。这种结合了反常温度依赖性变形行为和多尺度增强结构的设计策略，为多种工程合金和复合材料的结构-材料一体化制造提供了一条途径，有助于根据特定工程要求定制开发结构材料。

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