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        陶鋁材料的應用及前景分析

           日期:2022-01-24     來源:蒼韌雪、    瀏覽:497    評論:0    
        去年的某一天,“陶鋁”一詞突然火遍了我的朋友圈。關于陶鋁材料和王浩偉老師團隊的文章登上了幾家主流的媒體。這預示著這種新材料以“陶鋁”的名稱走入了廣大民眾的視野,也說明該材料的產業化進程進入了一個新的篇章。

        陶鋁是一種納米陶瓷顆粒增強鋁基復合材料,又名納米陶瓷鋁合金,由上海交通大學以周堯和院士、王浩偉教授為代表的五代“材料人”合力攻堅30年研發而成,具有完全自主知識產權,是具有國際領先水平的顛覆性原創設計。

        早在本科時,我就學習過王浩偉老師講授的課程。在諸多專業課程的教師中,王老師屬于最受歡迎的幾人之一。那時的專業課似乎沒有如今如此之多的條條框框,于是在課堂上,老師們的風格更為彰顯。有的老師沉迷于數學推導,變換間迸發的火花令他們喜形于色。有的老師喜歡引經據典,帶著對先輩的虔誠諄諄布道。王老師的風格則比較接地氣,夾敘夾議地將書本內容與實踐案例有機結合,讓人產生我上我也行的莫名信心。也就是在這個課程中,我第一次接觸到了“原位自生”的概念。當然,本著學生的呆氣,當時也只是贊嘆了一下這個杰出的思想。至于如何工程實現,是否能夠工業推廣,本不是那個時代的我能夠想到的問題。

        而后畢業、工作,雖在同一個學院,但因方向不同,與王老師的團隊并沒有什么交集。直到2009年的到來。那一年,我的工作變更,來到學院的公共測試平臺,從此力學測試結下了不解之緣。從此在工作中時常與王老師團隊的老師和學生們接觸,接觸中了解到他們依然從事著各類鋁基材料的制備研發。其中的一大類便是如今“陶鋁”的前身。

        “陶鋁”在研發過程中并不叫做“陶鋁”,事實上我也是在那些新聞中第一次讀到這個名字。不過這個名字起得非常巧妙,朗朗上口且表達準確。它是鋁又不是純粹的鋁,一個“陶”字點明了它的另一半基因。在材料學科中,陶瓷指的是無機非金屬材料,他們與金屬材料、高分子材料一起構成了材料的三大門類。陶瓷的特征是高硬度和高熔點,金屬則以塑性及導熱導電見長。

        人類很早就開始燒陶制瓷,博物館中的碟碟碗碗記述著那段輝煌。然而隨著青銅的出現,金屬漸漸受寵,它們更易加工且不易破碎。鋼鐵的登場近乎一統山河,不但陶瓷,其他金屬合金也被壓制了上千個年頭。工業革命使鋼鐵的輝煌達到巔峰,而其開啟的產業革新也讓一些全新的領域紛紛崛起。隨著科學技術的飛速發展,鋁、鎂、銅、鎳、鈦等合金終于在新的領域里找到了做主角的機會。而這一期間,陶瓷也不甘寂寞,不但在功能材料領域中大放異彩,在金屬無能為力的高溫領域也彰顯著自己獨特的魅力。

        陶鋁吸音板的應用

        隨著科技的進步,人們對于材料的期望也變得愈發苛刻。相關需求從簡單的一兩個關鍵詞變得長篇累牘。強度、硬度、屈強比,高溫、低溫、耐腐蝕,彎曲、扭轉、泊松比,蠕變、疲勞、內應力……當材料的應用標準由經濟適用變為私人訂制,新材料的研發也變成了濃妝淡抹后的姻緣難求。于是乎,一些全新的加工方法粉墨登場,各種改性理論也紛紛出臺。這其中,便有人把目光再次移回原點,希望通過陶瓷與金屬的結合獲得恰當的性能。

        在金屬中加入陶瓷是很容易想到的方法,既不失金屬的柔韌又可通過陶瓷增強。這一流派被稱為金屬基復合材料,也正是我院擅長的方向之一。復合材料的理念最初來自纖維增強塑料,引入金屬后大家也從纖維著手研究。碳纖維以優異的力學性能占據增強體的半壁江山,而納米材料的研究催生出增強體百花齊放時代的降臨。無論采用何種材料與形狀的增強體,一個問題始終揮之不去,那就是增強體與基體間如何完美結合。在實驗中我偶爾會見到屈服前斜率陡然偏轉的拉伸曲線,這時我便會問一下這是不是復合材料。若學生一臉茫然我便會補充一句,在這個點增強體與基體已經產生了裂痕。解決這一問題也有許多不同的思路,不過若能讓陶瓷從金屬中長出那么結合自然就不再是問題。

        陶瓷與金屬雖然性質不同,卻可相互轉化。通過冶金可以從礦物中提取金屬,而通過化學反應也可以由金屬生成陶瓷。它們正像是材料中的陰陽兩極,彼此相對卻又彼此相生。不禁讓人想起了三十六計中的瞞天過海:陰在陽之內,不在陽之對,太陽,太陰。

        陶鋁材料的應用及前景分析

        其實在傳統的熱處理工藝中便已蘊含著這樣的意味。以大家比較熟悉的鋼鐵為例。鐵碳相圖是材料學科中的經典,與鐵相對在另一端的便是鋼中的強化相滲碳體Fe3C。通過不同的熱處理工藝我們可以控制滲碳體的形態和分布,從而使鋼得到我們需要的性能組合。于是我們聽到所謂的調質處理,正是陶瓷(滲碳體)與金屬(鐵)的轉化使得性能在一定范圍內成為可調。

        聊聊“陶鋁”
        原位生成的陶鋁材料其實也是類似的思路,只是其中的增強體并不像滲碳體那么自然而然。從這個意義上看,陶鋁之于鋁正如鋼之于鐵,其應用推廣或者才剛剛開啟了它的萬里征途。不同組分的鋁合金都會有對應的陶鋁材料,而同種陶鋁的性能也隨工藝變化而存在著一定的調質空間。在鋼鐵中還存在著另一種不同的轉化,通過化學熱處理讓鋼的表面生成一層硬硬的陶瓷。沿著這個思路或者又可以開啟另一類陶鋁材料。與前者相比恰如武功中的內家與外家。說來王老師也是位武林高手,一手太極打得是爐火純青。太極講究剛柔并濟,以內家為基礎最終內外兼修。如今鋼鐵的加工正是這樣,每件成品都由內而外步步為營?;蛘咛珍X的未來也是如此,畢竟較之應用了數千年的鐵器,鋁的發展不過才一兩百年。也許我們今天就見證了這段歷史,見證了一類偉大材料的揚帆起航。
         
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