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【点赞大工人】刚柔相济 大工团队研发瓷刚铝新材料助力双碳目标

时间:2022-05-12   来源:材料科学与工程学院      

编者按:为奋力实现大工一流大学建设新征程“加速跑”,鼓舞广大师生解放思想、追求卓越、改革创新、跨越发展,党委宣传部(新闻中心)推出【点赞大工人】栏目,讲述师生奋进故事,共享成功经验,汇聚学校改革发展的磅礴力量。

铝是地壳中含量最为丰富的金属元素,也是用量仅次于钢铁的金属材料。小到口罩上的铝制定位条,大到飞机的铝合金机翼,铝材的应用几乎无处不在。在国家“碳达峰”“碳中和”的战略背景下,铝节能减重的属性焕发出盎然生机。随着“双碳目标”的持续深化,未来铝产业将逐渐分化出两个支柱方向,一是强调新材料、新工艺的高端铝材加工;二是融合了循环经济的再生铝高效回收。

(a)瓷刚铝母材生产现场;(b)瓷刚铝母材梯形连铸锭外观

瓷刚铝母材制备过程及产品外观

近年,我校材料科学与工程学院李廷举教授和王同敏教授领导的团队突破多项技术难题,研发出瓷刚铝新材料,为我国铝产业的转型升级带来了全新思路。

性能互补 破解刚而不柔、强而不韧的难题

铝质轻、易加工,是优良的结构用材,但自身柔软的特性限制了其承载条件;而陶瓷硬度、刚度高,但脆性大难以加工。

如何实现铝和陶瓷性能的互补?据团队青年骨干陈宗宁教授介绍,将铝与陶瓷有机结合,取长补短,做成刚柔相济的复合材料,就能够让铝材实现性能飞跃。“但事与愿违,长期以来,我国所生产的复合材料制备工艺复杂,且往往刚而不柔,成形困难。以颗粒增强6XXX系铝基复材为例,基体的延伸率可达10%以上,而采用搅拌铸造或粉末冶金工艺制备的复材延伸率不足1%,热轧易裂,无法冷轧。”

(a)工业纯铝的晶粒组织(柱状晶);(b)瓷刚铝母材的晶粒组织(等轴晶)

瓷刚铝的晶粒组织

铝材本是一种亲民的大众化金属材料,但铝基复材繁杂的工艺和昂贵的价格却让很多企业对其望而却步,铝基复材的应用也局限于小批量的特殊场景。高性能、易加工、低成本的铝基复材从研发、制造到销售长期被外国垄断,核心工艺细节不得而知,是典型的“卡脖子”技术。在双碳目标引领性战略和制造强国重点发展领域中,我国面临着受制于人的困局。必须破解铝基复材亦步亦趋的局面!

“为咱们国家铝工业由大变强出一份力”,一直是李廷举教授和王同敏教授带领团队所坚持的信念。他们一路走来,攻坚克难,陈宗宁教授骄傲地告诉记者:“经过我国复合材料科研界三十余年的努力,闯出了属于咱们自己的一条路——原位自生铝基复材。”不同于传统外加法制备的铝基复材,原位自生铝基复材通过特殊的化学方法将刚硬的陶瓷粒子在铝熔体内“生长”出来,有效解决了材料刚而不柔的难题。“学术界和产业界的多年努力,碱金属、夹杂物、颗粒尺寸和分布等技术问题已经可以系统控制。近几年,行业中最为关键的老大难——‘颗粒团聚’,也终于被我们团队攻克!”

刚柔相济 二十年如一日潜心攻关

原位自生铝基复材是通过化学反应,在铝熔体中生成细小稳定的强化颗粒,再结合各种凝固工艺制备而成。但如果在制备过程中,原位自生的陶瓷粒子分布不均匀,且呈团聚状,就会严重影响产品质量。王同敏教授解释说:“小时候母亲在家里经常煮玉米糊,总是均匀浑厚,口感柔和。但是我第一次做的时候,玉米面没有预先揉碎调匀,结果做出来的玉米糊里就都是大块的硬疙瘩。”

“妈妈在煮玉米糊的时候,是先把玉米面用少量冷水搅拌成糊状,等水烧开后倒入锅中,同时不停搅拌,滚开后改用小火熬一会儿就行了,快要出锅的时候放些食用碱口感会更柔和。”这是妈妈的智慧,小生活、大道理,团队针对瓷刚铝制备过程“颗粒团聚”的瓶颈难题,创新性提出了“声场谐振干预”技术,利用声空化产生的非线性效应,在凝固过程中施加超声外场振动,依靠空化泡破裂产生的局部高速射流,实现铝基复材凝固组织中纳米陶瓷粒子弥散化分布。

这一听起来简单又直白的比喻,其中蕴含的却是团队孜孜不倦的追求与持之以恒的探索。他们“二十年磨一剑”,经过不断的攻关试验,终于突破技术瓶颈,立足于3项独创的技术,申请了47项发明专利,团队将这种刚柔相济的新材料命名为——瓷刚铝新材料。

自主创新 为铝产业带来新变革

负责瓷刚铝产业化的陈宗宁教授介绍,中国铝产业销售规模已经超过万亿,而且未来几年大致以4%—5%的速度增长,但新型铝合金的研发在自主创新方面依旧欠缺,相关研究工作多围绕国外先进铝合金进行。美国铝业协会注册的铝合金牌号约七百多个,中国只占个位数。高端铝材市场仍然受制于人,或者高精度的管、带、棒、板等原材料从国外进口,或者制备设备全部为国外生产线,严重影响了国产先进铝材研发的自主可控性。瓷刚铝新材料及相关技术的出现或将有力改变这一现状。

(a)传统氟盐工艺制备的Al-Ti-B(微米级颗粒);(b)瓷刚铝母材(纳米级颗粒)

瓷刚铝母材中的纳米TiB2颗粒

数据显示,运用瓷刚铝及相关技术,材料的铸态晶粒尺寸由原来的毫米级细化至几十微米,原位自生陶瓷粒子的平均尺寸小于100纳米。瓷刚铝制成母材,既可以重熔稀释二次合金化制备新材料;又可以作为添加剂对现有材料进行改性,提升性能。除此以外,采用该技术还可以作为诱发“声场谐振干预”的媒介,与超声振动技术联用进行再生铝处理,可以使再生铝材料的铁含量容限提升一倍以上。更令人惊喜的是,本技术可以与电解铝水联用,且生产流程可缩短2/3,大幅降低能耗,真正在绿色发展上见实效。

目前,通过瓷刚铝新材料及相关技术改性后的铝材在电缆、紧固件、挤压型材、压铸件等多个项目中得到运用,完全能够满足高端质量要求,将该技术运用到动力电池、笔记本电脑外壳等其他场景中,也取得了非常良好的效果。

科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。让创新成为驱动发展的强大引擎,是大工和大工科研工作者们一直以来不懈奋斗的方向。“瓷刚铝新材料是一项变革性技术,从去年开始,已有多家企业与我们对接,希望我们的技术可以在架空导线、汽车制造、轨道交通等行业带来革新。”谈及未来,整个团队信心满满,一个崭新而广阔的市场正在等待开拓。

编辑:秦博昱   
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