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陶铝材料的应用及前景分析

   日期:2022-01-24     来源:苍韧雪、    浏览:1047    评论:0    
去年的某一天,“陶铝”一词突然火遍了我的朋友圈。关于陶铝材料和王浩伟老师团队的文章登上了几家主流的媒体。这预示着这种新材料以“陶铝”的名称走入了广大民众的视野,也说明该材料的产业化进程进入了一个新的篇章。

陶铝是一种纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料,又名纳米陶瓷铝合金,由上海交通大学以周尧和院士、王浩伟教授为代表的五代“材料人”合力攻坚30年研发而成,具有完全自主知识产权,是具有国际领先水平的颠覆性原创设计。

早在本科时,我就学习过王浩伟老师讲授的课程。在诸多专业课程的教师中,王老师属于最受欢迎的几人之一。那时的专业课似乎没有如今如此之多的条条框框,于是在课堂上,老师们的风格更为彰显。有的老师沉迷于数学推导,变换间迸发的火花令他们喜形于色。有的老师喜欢引经据典,带着对先辈的虔诚谆谆布道。王老师的风格则比较接地气,夹叙夹议地将书本内容与实践案例有机结合,让人产生我上我也行的莫名信心。也就是在这个课程中,我第一次接触到了“原位自生”的概念。当然,本着学生的呆气,当时也只是赞叹了一下这个杰出的思想。至于如何工程实现,是否能够工业推广,本不是那个时代的我能够想到的问题。

而后毕业、工作,虽在同一个学院,但因方向不同,与王老师的团队并没有什么交集。直到2009年的到来。那一年,我的工作变更,来到学院的公共测试平台,从此力学测试结下了不解之缘。从此在工作中时常与王老师团队的老师和学生们接触,接触中了解到他们依然从事着各类铝基材料的制备研发。其中的一大类便是如今“陶铝”的前身。

“陶铝”在研发过程中并不叫做“陶铝”,事实上我也是在那些新闻中第一次读到这个名字。不过这个名字起得非常巧妙,朗朗上口且表达准确。它是铝又不是纯粹的铝,一个“陶”字点明了它的另一半基因。在材料学科中,陶瓷指的是无机非金属材料,他们与金属材料、高分子材料一起构成了材料的三大门类。陶瓷的特征是高硬度和高熔点,金属则以塑性及导热导电见长。

人类很早就开始烧陶制瓷,博物馆中的碟碟碗碗记述着那段辉煌。然而随着青铜的出现,金属渐渐受宠,它们更易加工且不易破碎。钢铁的登场近乎一统山河,不但陶瓷,其他金属合金也被压制了上千个年头。工业革命使钢铁的辉煌达到巅峰,而其开启的产业革新也让一些全新的领域纷纷崛起。随着科学技术的飞速发展,铝、镁、铜、镍、钛等合金终于在新的领域里找到了做主角的机会。而这一期间,陶瓷也不甘寂寞,不但在功能材料领域中大放异彩,在金属无能为力的高温领域也彰显着自己独特的魅力。

陶铝吸音板的应用

随着科技的进步,人们对于材料的期望也变得愈发苛刻。相关需求从简单的一两个关键词变得长篇累牍。强度、硬度、屈强比,高温、低温、耐腐蚀,弯曲、扭转、泊松比,蠕变、疲劳、内应力……当材料的应用标准由经济适用变为私人订制,新材料的研发也变成了浓妆淡抹后的姻缘难求。于是乎,一些全新的加工方法粉墨登场,各种改性理论也纷纷出台。这其中,便有人把目光再次移回原点,希望通过陶瓷与金属的结合获得恰当的性能。

在金属中加入陶瓷是很容易想到的方法,既不失金属的柔韧又可通过陶瓷增强。这一流派被称为金属基复合材料,也正是我院擅长的方向之一。复合材料的理念最初来自纤维增强塑料,引入金属后大家也从纤维着手研究。碳纤维以优异的力学性能占据增强体的半壁江山,而纳米材料的研究催生出增强体百花齐放时代的降临。无论采用何种材料与形状的增强体,一个问题始终挥之不去,那就是增强体与基体间如何完美结合。在实验中我偶尔会见到屈服前斜率陡然偏转的拉伸曲线,这时我便会问一下这是不是复合材料。若学生一脸茫然我便会补充一句,在这个点增强体与基体已经产生了裂痕。解决这一问题也有许多不同的思路,不过若能让陶瓷从金属中长出那么结合自然就不再是问题。

陶瓷与金属虽然性质不同,却可相互转化。通过冶金可以从矿物中提取金属,而通过化学反应也可以由金属生成陶瓷。它们正像是材料中的阴阳两极,彼此相对却又彼此相生。不禁让人想起了三十六计中的瞒天过海:阴在阳之内,不在阳之对,太阳,太阴。

陶铝材料的应用及前景分析

其实在传统的热处理工艺中便已蕴含着这样的意味。以大家比较熟悉的钢铁为例。铁碳相图是材料学科中的经典,与铁相对在另一端的便是钢中的强化相渗碳体Fe3C。通过不同的热处理工艺我们可以控制渗碳体的形态和分布,从而使钢得到我们需要的性能组合。于是我们听到所谓的调质处理,正是陶瓷(渗碳体)与金属(铁)的转化使得性能在一定范围内成为可调。

聊聊“陶铝”
原位生成的陶铝材料其实也是类似的思路,只是其中的增强体并不像渗碳体那么自然而然。从这个意义上看,陶铝之于铝正如钢之于铁,其应用推广或者才刚刚开启了它的万里征途。不同组分的铝合金都会有对应的陶铝材料,而同种陶铝的性能也随工艺变化而存在着一定的调质空间。在钢铁中还存在着另一种不同的转化,通过化学热处理让钢的表面生成一层硬硬的陶瓷。沿着这个思路或者又可以开启另一类陶铝材料。与前者相比恰如武功中的内家与外家。说来王老师也是位武林高手,一手太极打得是炉火纯青。太极讲究刚柔并济,以内家为基础最终内外兼修。如今钢铁的加工正是这样,每件成品都由内而外步步为营。或者陶铝的未来也是如此,毕竟较之应用了数千年的铁器,铝的发展不过才一两百年。也许我们今天就见证了这段历史,见证了一类伟大材料的扬帆起航。
 
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