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科學(xué)家發(fā)明Cu-Ta-Li合金新型超強(qiáng)耐熱材料

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-04-11 15:14:53

突破性的Cu-Ta-Li合金有可能徹底改變航空航天、國防和工業(yè)應(yīng)用。美國陸軍研究實(shí)驗室 (ARL)和利哈伊大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)銅合金，為航空航天、國防和工業(yè)應(yīng)用的高溫性能樹立了新的標(biāo)桿。

彩色掃描透射電子顯微鏡 (STEM) 圖像顯示了 Cu-Ta-Li 合金中的 Cu3Li 沉淀物。橙色特征主要是合金基質(zhì)中的 Cu 原子，而藍(lán)色和黃色特征對應(yīng)于 Cu3Li 沉淀物。黃色代表原子雙層復(fù)合物中的 Ta 原子，藍(lán)色特征代表 Cu3Li 沉淀物核心中的 Li 原子。圖片來源：利哈伊大學(xué)

他們的研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，提出了一種 Cu-Ta-Li（銅-鉭-鋰）合金，該合金具有出色的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，是有史以來最具彈性的銅基材料之一。

“這是尖端科學(xué)，開發(fā)一種新材料，獨(dú)特地將銅的出色導(dǎo)電性與鎳基高溫合金的強(qiáng)度和耐用性相結(jié)合，”利哈伊大學(xué)材料科學(xué)與工程系美國鋁業(yè)基金會名譽(yù)教授、該研究的合著者馬丁·哈默 (Martin Harmer) 表示。“它為工業(yè)和軍方提供了為超音速和高性能渦輪發(fā)動機(jī)制造新材料的基礎(chǔ)。”

馬丁·哈默 (Martin Harmer)，利哈伊大學(xué)材料科學(xué)與工程系美國鋁業(yè)基金會名譽(yù)教授。圖片來源：利哈伊大學(xué)

ARL 和利哈伊大學(xué)的研究人員與亞利桑那州立大學(xué)和路易斯安那州立大學(xué)的科學(xué)家合作開發(fā)出了這種合金，它能夠承受極端高溫而不會出現(xiàn)明顯的性能下降。

這一突破源于 Cu?Li 沉淀物的形成，這種沉淀物由富含 Ta 的原子雙層復(fù)合物穩(wěn)定，這是利哈伊大學(xué)研究人員率先提出的概念。與高溫下隨時間遷移的典型晶粒邊界不同，這種復(fù)合物充當(dāng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑，可維持納米晶體結(jié)構(gòu)，防止晶粒生長，并顯著提高高溫性能。

利哈伊大學(xué)研究科學(xué)家、研究報告共同作者帕特里克·坎特韋爾指出，這種合金在極端、長期的熱暴露和機(jī)械應(yīng)力下仍能保持其形狀，即使在接近熔點(diǎn)時也能抵抗變形。

通過將鎳基高溫合金的高溫彈性與以優(yōu)異的導(dǎo)電性而聞名的銅相結(jié)合，該材料為下一代應(yīng)用鋪平了道路，包括熱交換器、先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)以及尖端導(dǎo)彈和高超音速技術(shù)的熱管理解決方案。

一類新型高性能材料

這種新型 Cu-Ta-Li 合金具有現(xiàn)有材料所不具備的平衡特性：

鎳基高溫合金（用于噴氣發(fā)動機(jī)）強(qiáng)度極高，但缺乏銅合金的高熱導(dǎo)率。
鎢基合金具有極高的耐熱性，但密度高且難以制造。
這種 Cu-Ta-Li 合金結(jié)合了銅的卓越導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，同時在極端溫度下仍能保持強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
雖然它不能直接替代超高溫應(yīng)用中的傳統(tǒng)高溫合金，但它有可能在下一代工程解決方案中對其進(jìn)行補(bǔ)充。

研究人員如何制作和測試它

該團(tuán)隊采用粉末冶金和高能低溫研磨技術(shù)合成了這種合金，確保了其精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)。然后他們對其進(jìn)行了以下處理：

在800°C下進(jìn)行10000小時（一年多）的退火，測試其長期穩(wěn)定性。
先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)，揭示了 Cu?Li 沉淀物結(jié)構(gòu)。
抗蠕變實(shí)驗，確認(rèn)其在極端條件下的耐久性。
利用密度泛函理論（DFT）進(jìn)行計算建模，驗證了Ta雙層復(fù)合物的穩(wěn)定作用。

專利、資金和未來工作

美國陸軍研究實(shí)驗室獲得了該合金的美國專利（US 11，975，385 B2），凸顯了其戰(zhàn)略意義，特別是在軍用熱交換器、推進(jìn)系統(tǒng)和高超音速飛行器等國防應(yīng)用方面。

這項研究得到了美國陸軍研究實(shí)驗室、美國國家科學(xué)基金會和利哈伊大學(xué)校長納米人機(jī)界面 (NHI) 計劃的支持，該計劃旨在促進(jìn)納米技術(shù)的創(chuàng)新。利哈伊大學(xué)與 ARL 的長期合作關(guān)系已持續(xù)十多年，在推動材料科學(xué)的發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。

科學(xué)家表示，進(jìn)一步的研究將包括直接測量該合金與鎳基替代品的熱導(dǎo)率，為其潛在應(yīng)用做好準(zhǔn)備，以及按照類似的設(shè)計策略開發(fā)其他高溫合金。

“該項目很好地體現(xiàn)了聯(lián)邦政府對基礎(chǔ)科學(xué)的投資如何推動美國在材料技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，”哈默說。“這樣的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是加強(qiáng)國家安全和推動工業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵。”

編譯自/ScitechDaily

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