隨著低碳、綠色、節(jié)能、減排的理念深入人心，輕量化成為高端制造領(lǐng)域必然地發(fā)展方向，鋁合金以其低密度、高比強(qiáng)、易加工成形成而得到越來越廣的應(yīng)用，飛機(jī)、高鐵等紛紛穿上了鋁合金“外衣”。比如國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919就用鋁鋰合金為自身減重，鋁鋰合金在機(jī)體結(jié)構(gòu)的占比達(dá)到7.4%。
“衣服”輕則輕矣，但有容易變形的弊端，究其原因，是鋁合金的剛度不夠。工業(yè)界通過添加各種材料來補(bǔ)足強(qiáng)度，鋁鋰合金、鋁陶合金都是發(fā)展方向，加入碳納米管、石墨烯等新型增強(qiáng)相形成鋁基復(fù)合材料更被普遍看好。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張荻教授表示，碳納米管及石墨烯具有卓越的力學(xué)性能，其密度只有鋼材的1/6，強(qiáng)度卻超過鋼材的100倍，剛度與自然界中*硬天然金剛石接近。只要有少量的碳納米管及石墨烯被均勻分散到鋁合金基體中，就能部分取代昂貴的合金元素，還能在保持鋁合金良好的加工性能基礎(chǔ)上極大提高其強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能。
前景被看好，但這一技術(shù)路線卻遲遲不見進(jìn)展。早在1997年，日本科學(xué)家就開始了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究，近十年均收效甚微。張荻說：“碳納米管的直徑不及頭發(fā)絲的千分之一，石墨烯的厚度更是不到頭發(fā)絲的十萬分之一，要把它們一根根在鋁合金中分散開來又不被損傷破壞，著實(shí)困難。”
張荻擅長(zhǎng)向自然要靈感，他借鑒貝殼“珍珠母”的疊層結(jié)構(gòu)，*終開發(fā)出“微納疊片粉末冶金”這一獨(dú)創(chuàng)的仿生復(fù)合技術(shù)：先將鋁制成微納片狀粉末，再與碳納米管和石墨烯在微觀尺度下均勻復(fù)合成為“磚”，然后通過工藝控制，像壘墻一樣形成“磚砌式”疊層結(jié)構(gòu)的烯碳鋁基復(fù)合材料。
實(shí)驗(yàn)室的成果*終是要被用的——為了走通科技成果轉(zhuǎn)化之路，上海交通大學(xué)與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺(tái)組成上海烯碳金屬基復(fù)合材料工程中心，開始了產(chǎn)品中試。為了容納項(xiàng)目核心設(shè)備形型壓機(jī)，石墨烯平臺(tái)為該項(xiàng)目提供了600平方米、挑高11米的廠房，并改造了地基和電路。他們還從世界上各種石墨烯粉末中挑選出*適宜添加在鋁合金中的一種。截至目前，工程中心已經(jīng)形成年產(chǎn)能20噸的中試產(chǎn)線，可制備單重達(dá)0.5噸的錠坯，并研發(fā)出中強(qiáng)、高強(qiáng)、超高強(qiáng)等系列高模量烯碳鋁合金。
張荻表示，烯碳鋁合金從技術(shù)制備到生產(chǎn)設(shè)備具有完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，替代現(xiàn)役鋁合金構(gòu)件預(yù)期減重可達(dá)10%~30%，輕量化效益十分顯著，該技術(shù)水平和綜合性能均世界 領(lǐng)先。上海石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺(tái)總經(jīng)理梁勇表示，工程中心已聯(lián)合中航工業(yè)、中國(guó)航天科技、中國(guó)中車集團(tuán)等國(guó)內(nèi)應(yīng)用單位，開展烯碳鋁合金在飛機(jī)、航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)、“標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組”列車、新能源汽車等裝備上的應(yīng)用驗(yàn)證，下一步，烯碳金屬基復(fù)合材料工程中心將進(jìn)一步整合雙方優(yōu)勢(shì)資源，對(duì)接上海市優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，加快開展應(yīng)用研發(fā)和推廣，率先實(shí)現(xiàn)新型烯碳鋁合金材料的優(yōu)先突破。
