天津大学，重磅Nature Materials！

研究背景

航空航天、交通运输等领域提速减重的重大需求对轻质金属材料的耐热性能提出了更高要求，传统铝合金由于高温下析出相粗化力学性能急剧下降，300 ℃以上服役性能已达瓶颈（300 ℃ 抗拉强度小于200 MPa，500 ℃ 抗拉强度小于50 MPa）。

由此对于当前航空航天等重要领域最为关心的300~500 ℃温度区间，铝合金使役时出现的力学性能迅速衰退成为大动力/大功率工作条件下制约结构设计、影响服役安全的关键短板。因此，持续推进我国关于耐热高强铝合金的自主研发工作，特别是面向300~500 ℃中高温、高应力的耐热铝合金材料具有重要意义。

成果简介

天津大学材料学院何春年教授团队创新地提出了一种“界面置换”分散策略，成功实现了全共格、高密度的~5 nm MgO颗粒在铝合金中的单粒子级均匀分布，从而使所制备的ODS铝合金在高达500 ℃的温度下仍然具有史无前例的抗拉强度（~200 MPa）与抗高温蠕变性能。该工艺过程简单、物料成本低廉、易于规模化生产，因而具有显著的工业应用价值。

相关研究成果以“Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys”为题发表于Nature Materials期刊上。论文第一作者为博士生白翔仁，通讯作者为何春年教授与张翔副研究员，合作作者有天津大学赵乃勤教授、赵冬冬副教授、刘恩佐副教授、戎旭东副研究员、博士生谢昊男、河北工业大学靳慎豹教授。该工作得到了国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、173重点项目等项目的资助。

图文导读

目前，提高铝合金耐热性能的途径主要有两个：一是进一步提升析出相的热稳定性；另一条出路是在基体中引入高稳定性的陶瓷相纳米颗粒。其中，氧化物陶瓷颗粒由于具有优良的强度、耐高温、热传导、耐腐蚀、耐氧化、成本低等特性，受到研究者青睐，如研究者在众多金属体系（如Fe、Cu、Ni、Mo等）中通过原位合成氧化物纳米颗粒的思路实现了优异的高温力学性能。然而，以上实现弥散分布的原理是基于氧化物颗粒在基体内溶解—析出或是液相混合后将金属前驱体还原成金属基体，对于与氧反应活性高、不可化学还原的轻金属材料如Al、Mg、Ti等，上述方法则无法适用。迄今为止，如何在铝合金中实现纳米氧化物弥散强化进而改善其高温力学性能，仍是铝合金甚至轻合金体系的国际性科学与技术难题。

为此，天津大学材料学院何春年教授团队提出并通过“界面置换”分散策略制备了5 nm级ODS铝合金，即首先利用金属盐前驱体分解过程中的自组装效应制得了少层石墨包覆的超细MgO颗粒（~5 nm），将纳米颗粒之间较强结合的化学键替换为石墨包覆层之间较弱的范德华力结合，从而使纳米颗粒之间的粘附力降低了2~3个数量级；在此基础上，进一步通过简单的机械球磨-粉末冶金工艺实现了高体积分数（8 vol.%）的单粒子级超细MgO颗粒在铝基体内的均匀分散。研究发现，该材料具有超高的颗粒密度（~9×10²³ m^-3）和界面密度（~1.4×10⁸ m^-1），且MgO颗粒与铝基体之间的界面具有完美的全共格特性，并形成了Mg-O-Al的强结合，这类界面有效抑制了空位与原子沿界面和跨界面扩散，显著降低了界面处的原子扩散速率，因而该ODS铝合金展示出极其突出的高温力学性能与抗高温蠕变性能，其在300 ℃和500 ℃下的抗拉强度分别为420 MPa和200 MPa；在500 ℃-80 MPa的蠕变条件下，稳态蠕变速率为~10^-7 s^-1，大幅超越了国际上已报道的铝基材料的最好水平。

该工作发展了针对轻质金属材料“高分散性-超细颗粒尺寸-界面共格”协同调控的制备新技术，揭示了超细纳米颗粒增强轻质金属的超常耐热机制，并为开发耐热高强轻质金属材料及其航空航天、交通运输等重要领域应用提供了新思路。

研究工作在Nature Materials上发表后，国际著名金属材料专家、法国格勒诺布尔国立理工学院Alexis Deschamps教授在Nature Materials的News&views栏目，以“Nano-oxides boost aluminium heat resistance”为题，对这一工作的重要性和潜在影响做了详细的评论和深入解读，认为该工作“发展了新型超细纳米氧化物弥散强化合金设计新策略，使得所制备的铝合金在高达500 °C时仍具有前所未有的高拉伸强度和抗高温蠕变性能；发现了超细氧化物/金属高度共格特性对界面处空位形成的强烈抑制并阻碍晶粒粗化的新机制，也为铝合金在高温环境中的应用开辟了崭新领域，具有更轻质的优势使它们能够与某些钛合金一较高下”。

图1：超细MgO纳米颗粒在铝基体中的均匀分散

图2：材料优异的室/高温力学性能

图3：优异的蠕变性能

图4：全共格的MgO/Al界面结合

图5：优异的高温稳定性

课题组简介

天津大学材料学院何春年团队多年来一直从事碳纳米相增强金属基结构与储能复合材料的基础研究，在金属基复合材料领域内具有较大影响力。团队成员共12人，其中教授5人（包括国家万人计划教学名师1人，国家杰青1人，长江学者1人），副高职称导师6人（包括2名英才副教授）。团队成员专业互补性强、实验与计算模拟密切结合，年龄结构合理，有良好的学术道德和师德师风、业务水平和综合素质高，富有拼搏和创新精神，完全具备从事重大科研项目研究和培养优秀研究生的师资力量。

近年来团队在Nat Mater (1篇)Prog Mater Sci（1篇）、Nat Comm（1篇）、Acta Materialia(4篇), Adv Mater（3篇）、ACS Nano（2篇）、Adv Funct Mater（2篇）、Adv Energy Mater（6篇）、Nano Energy（2篇）等国际顶级和高水平学术期刊发表SCI论文100余篇，6篇入选ESI高被引论文，申请发明专利25项。论文他引5000余次，单篇最高他引765次。由赵乃勤和何春年教授领衔的研究成果于2010年和2022年各获天津市自然科学一等奖（2项）。

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