這是銅鉭鋰合金的彩色掃描透射電子顯微鏡圖像。橙色代表銅原子,黃色代表鉭原子,藍色代表鋰原子。圖片來源:美國理海大學

美國陸軍研究實驗室和理海大學等機構的科學家攜手開發出一種納米結構銅鉭鋰合金。該合金是有史以來最具彈性的銅基材料之一,機械強度和熱穩定性可媲美傳統高溫合金,有望用于航空航天、國防和工業領域。相關研究論文發表于26日出版的《科學》雜志。

新型銅鉭鋰合金由銅鋰沉積物與富含鉭的原子雙層復合物交織而成。其中,鉭復合物充當納米晶體結構的穩定劑,既能防止晶粒生長,又能大幅提高合金的耐高溫性能。實驗結果顯示,即便長期暴露于極端高溫,甚至在接近其熔點的高溫與機械應力環境,該合金都能保持結構完整,形狀不變,展現出極高的耐高溫性能。

高溫合金又稱超合金,是鐵基、鎳基和鈷基等高溫合金的總稱。團隊表示,噴氣發動機上使用的鎳基高溫合金非常堅固,但缺乏銅合金的高導熱性。鎢基合金耐熱性能優異,但密度大且難以制造。而新型銅鉭鋰合金兼具銅的優異導電性和高溫合金的強度和穩定性,在極端條件下幾乎無退化變形。這一突破使其成為制造熱交換器、先進的推進系統,以及導彈和超高音速飛機的熱管理系統的理想候選材料。

團隊使用粉末冶金技術,通過高能低溫研磨工藝,精準調控了該合金的納米結構。為驗證其穩定性,他們將合金置于800℃的環境中持續退火10000小時,并利用先進的顯微鏡技術揭示其中銅鋰的沉積結構。蠕變試驗進一步證實了其在極端條件下的超凡耐久性。密度泛函理論計算建模結果也驗證了鉭原子雙層復合物的穩定作用。