科學(xué)家研發(fā)出新型增材制造“高導(dǎo)電+高抗蠕變”鋁合金

美國科研團(tuán)隊開發(fā)出一種兼具超高抗蠕變性與導(dǎo)電性的創(chuàng)新鋁合金，打破了傳統(tǒng)材料“強(qiáng)度與導(dǎo)電不可兼得”的瓶頸，為電動汽車及多領(lǐng)域輕量化升級帶來革命性進(jìn)展。

01、電動汽車材料的核心挑戰(zhàn)

在電動汽車快速發(fā)展的今天，電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)對材料的性能提出了*的嚴(yán)苛要求。尤其是在高溫、高負(fù)載、長期運行的嚴(yán)苛環(huán)境下，如何在保證材料高導(dǎo)電性的同時，兼具優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度與抗蠕變能力，一直是材料科學(xué)家和工程師們面臨的核心挑戰(zhàn)。

過去，鋁基導(dǎo)體合金往往陷入“導(dǎo)電與強(qiáng)度不可兼得”的困境：添加強(qiáng)化元素會降低導(dǎo)電率，而追求導(dǎo)電性則犧牲了力學(xué)性能。然而，這一長期存在的材料瓶頸，*近被一項由美國橡樹嶺國家實驗室與西北大學(xué)聯(lián)合開展的研究徹底打破！

02、創(chuàng)新合金設(shè)計與成分優(yōu)勢

研究團(tuán)隊采用激光粉末床熔融增材制造技術(shù)，成功制備出一種名為Al-0.3Zr-0.2Ce-0.2Cu的新型鋁合金。該合金成分設(shè)計巧妙，通過鋯（Zr）的超飽和固溶與鈰（Ce）、銅（Cu）的協(xié)同作用，實現(xiàn)了性能的“三重提升”：

鋯（Zr）：作為慢擴(kuò)散元素，在快速凝固過程中被“捕獲”在鋁基體中，形成均勻的過飽和固溶體。它不僅是導(dǎo)電率的“友好元素”，更是抑制位錯高溫爬升的關(guān)鍵角色。

鈰（Ce）：具有凈化作用，能與銅、鐵、硅等雜質(zhì)元素結(jié)合，形成穩(wěn)定的金屬間化合物，從而“清掃”鋁基體中的雜質(zhì)，顯著提升導(dǎo)電性。

銅（Cu）：與鈰協(xié)同形成亞微米級強(qiáng)化相，在凝固過程中析出，有效阻礙位錯運動，增強(qiáng)材料在高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

03、三重性能數(shù)據(jù)表現(xiàn)

導(dǎo)電性*：在未時效處理狀態(tài)下，合金導(dǎo)電率高達(dá)~48%IACS；經(jīng)過時效處理后，更進(jìn)一步提升至~58%IACS，已達(dá)到接近高純鋁的導(dǎo)電水平（純鋁約為65%IACS），遠(yuǎn)超目前常用的A356鑄造鋁合金（約40%IACS）。

高溫強(qiáng)度穩(wěn)定：在200°C高溫下，材料的屈服強(qiáng)度保持在65MPa；室溫下經(jīng)雙級時效處理后，屈服強(qiáng)度更可提升至~150MPa，顯示出優(yōu)異的強(qiáng)化潛力。

抗蠕變性能突破：在200°C、55MPa應(yīng)力下進(jìn)行長達(dá)860小時的蠕變測試，材料幾乎未發(fā)生可檢測的蠕變變形，表現(xiàn)出“近零蠕變”的驚人性能。相比之下，傳統(tǒng)時效強(qiáng)化鋁合金在相同條件下壽命僅為18-560小時。

04、微觀機(jī)制揭秘

研究團(tuán)隊借助原子探針層析技術(shù)、透射電鏡、X射線衍射等先進(jìn)表征手段，深入揭示了其性能背后的微觀機(jī)制：

鋯固溶體抑制位錯爬升：過飽和的鋯原子在鋁基體中形成“溶質(zhì)氣氛”，吸附在位錯周圍，顯著抑制了位錯的高溫爬升過程，從而阻斷了蠕變的主要機(jī)制。

亞微米(Ce,Cu)顆粒強(qiáng)化：這些在凝固過程中形成的細(xì)小顆粒，能有效阻礙位錯運動，提供“閾值應(yīng)力”，進(jìn)一步提升了材料的高溫穩(wěn)定性。

快速凝固帶來均勻性：增材制造的高冷卻速率避免了傳統(tǒng)鑄造中鋯元素的偏析，實現(xiàn)了鋯在鋁基體中的均勻分布，消除了局部弱區(qū)，使材料整體性能更加穩(wěn)定可靠。

05、增材制造工藝優(yōu)勢

與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，激光粉末床熔融技術(shù)展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢：

超高冷卻速率：抑制了粗大初生相的析出，實現(xiàn)了鋯的極限固溶。

微觀結(jié)構(gòu)可控：可獲得均勻的等軸晶或外延柱狀晶組織，減少缺陷。

設(shè)計自由度高：適合制造復(fù)雜形狀的電機(jī)轉(zhuǎn)子、散熱器等構(gòu)件，實現(xiàn)一體化成型。

多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊

這種“導(dǎo)電-強(qiáng)度-抗蠕變”三重優(yōu)勢兼?zhèn)涞男虏牧希�有望在多個高價值領(lǐng)域大放異彩：

電動汽車：用于高性能電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、逆變器、高壓母線排，提升能效與功率密度。

電力傳輸：用于輕量化輸電線、導(dǎo)電連接件，減少系統(tǒng)重量與能耗。

航空航天：用于輕量化熱管理組件、高溫導(dǎo)電結(jié)構(gòu)件。

電子散熱：用于高功率芯片散熱器、熱交換器，兼顧導(dǎo)熱與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

07、總結(jié)與未來展望

這項研究不僅成功開發(fā)出一種性能優(yōu)異的增材制造鋁合金，更重要的是提出了一種全新的材料設(shè)計理念：通過慢擴(kuò)散溶質(zhì)的超飽和固溶，抑制位錯高溫爬升，從而實現(xiàn)導(dǎo)電性與抗蠕變性的協(xié)同提升。

這為未來開發(fā)更多高性能、輕量化、耐高溫的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)材料指明了方向。隨著增材制造技術(shù)的普及與優(yōu)化，這類“量身定制”的高性能合金有望在更多高端裝備中實現(xiàn)應(yīng)用，推動新能源汽車、綠色能源、高端制造等產(chǎn)業(yè)的升級發(fā)展。

相關(guān)新聞