鋁是地殼中含量最爲豐富的金屬元素，也是用量僅次於鋼鐵的金屬材料。小到口罩上的鋁製定位條，大到飛機的鋁合金機翼，鋁材的應用幾乎無處不在。在國家“碳達峯”“碳中和”的戰略背景下，鋁節能減重的屬性煥發出盎然生機。隨着“雙碳目標”的持續深化，未來鋁產業將逐漸分化出兩個支柱方向，一是強調新材料、新工藝的高端鋁材加工；二是融合了循環經濟的再生鋁高效回收。

近年，大連理工大學材料科學與工程學院李廷舉教授和王同敏教授領導的團隊突破多項技術難題，研發出瓷剛鋁新材料，爲我國鋁產業的轉型升級帶來了全新思路。

(a)瓷剛鋁母材生產現場

(b)瓷剛鋁母材梯形連鑄錠外觀

瓷剛鋁母材製備過程及產品外觀

性能互補 破解剛而不柔、強而不韌的難題

鋁質輕、易加工，是優良的結構用材，但自身柔軟的特性限制了其承載條件；而陶瓷硬度、剛度高，但脆性大難以加工。

如何實現鋁和陶瓷性能的互補？據團隊青年骨幹陳宗寧教授介紹，將鋁與陶瓷有機結合，取長補短，做成剛柔相濟的複合材料，就能夠讓鋁材實現性能飛躍。“但事與願違，長期以來，我國所生產的複合材料製備工藝複雜，且往往剛而不柔，成形困難。以顆粒增強6XXX系鋁基復材爲例，基體的延伸率可達10%以上，而採用攪拌鑄造或粉末冶金工藝製備的復材延伸率不足1%，熱軋易裂，無法冷軋。”

(a)工業純鋁的晶粒組織（柱狀晶）

(b)瓷剛鋁母材的晶粒組織（等軸晶）

瓷剛鋁的晶粒組織

“爲咱們國家鋁工業由大變強出一份力”，一直是李廷舉教授和王同敏教授帶領團隊所堅持的信念。他們一路走來，攻堅克難，陳宗寧教授驕傲地告訴記者：“經過我國複合材料科研界三十餘年的努力，闖出了屬於咱們自己的一條路——原位自生鋁基復材。”不同於傳統外加法制備的鋁基復材，原位自生鋁基復材通過特殊的化學方法將剛硬的陶瓷粒子在鋁熔體內“生長”出來，有效解決了材料剛而不柔的難題。“學術界和產業界的多年努力，鹼金屬、夾雜物、顆粒尺寸和分佈等技術問題已經可以系統控制。近幾年，行業中最爲關鍵的老大難——‘顆粒團聚’，也終於被我們團隊攻克！”

剛柔相濟 二十年如一日潛心攻關

原位自生鋁基復材是通過化學反應，在鋁熔體中生成細小穩定的強化顆粒，再結合各種凝固工藝製備而成。但如果在製備過程中，原位自生的陶瓷粒子分佈不均勻，且呈團聚狀，就會嚴重影響產品質量。王同敏教授解釋說：“小時候母親在家裏經常煮玉米糊，總是均勻渾厚，口感柔和。但是我第一次做的時候，玉米麪沒有預先揉碎調勻，結果做出來的玉米糊裏就都是大塊的硬疙瘩。”

“媽媽在煮玉米糊的時候，是先把玉米麪用少量冷水攪拌成糊狀，等水燒開後倒入鍋中，同時不停攪拌，滾開後改用小火熬一會兒就行了，快要出鍋的時候放些食用鹼口感會更柔和。”這是媽媽的智慧，小生活、大道理，團隊針對瓷剛鋁製備過程“顆粒團聚”的瓶頸難題，創新性提出了“聲場諧振干預”技術，利用聲空化產生的非線性效應，在凝固過程中施加超聲外場振動，依靠空化泡破裂產生的局部高速射流，實現鋁基復材凝固組織中納米陶瓷粒子彌散化分佈。

這一聽起來簡單又直白的比喻，其中蘊含的卻是團隊孜孜不倦的追求與持之以恆的探索。他們“二十年磨一劍”，經過不斷的攻關試驗，終於突破技術瓶頸，立足於3項獨創的技術，申請了47項發明專利，團隊將這種剛柔相濟的新材料命名爲——瓷剛鋁新材料。

自主創新 爲鋁產業帶來新變革

負責瓷剛鋁產業化的陳宗寧教授介紹，中國鋁產業銷售規模已經超過萬億，而且未來幾年大致以4%—5%的速度增長，但新型鋁合金的研發在自主創新方面依舊欠缺，相關研究工作多圍繞國外先進鋁合金進行。美國鋁業協會註冊的鋁合金牌號約七百多個，中國只佔個位數。高端鋁材市場仍然受制於人，或者高精度的管、帶、棒、板等原材料從國外進口，或者製備設備全部爲國外生產線，嚴重影響了國產先進鋁材研發的自主可控性。瓷剛鋁新材料及相關技術的出現或將有力改變這一現狀。

科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂。讓創新成爲驅動發展的強大引擎，是大工人一直以來不懈奮鬥的方向。瓷剛鋁新材料是一項變革性技術，有望在電力、汽車、航空、航天、電子、建築、軌道交通等行業帶來革新。

內容來源：大連理工大學官方微信平臺 大工新聞網 材料科學與工程學院

編輯：孫子越

校對：邵美杭 閆一鳴