加州大学洛杉矶分校(UCLA) 亨利萨穆埃利工程与应用科学学院的研究人员带领团队成功研制出一种新型的超强轻质结构性金属。这种金属拥有超高的比强度和比模量，换言之，这种新型材料的刚重比（stiffness-to-weight）非常高。新材料是由金属镁和注入其中的密集且均匀分布的陶瓷硅碳化纳米颗粒组成。用这种材料制造的飞机、航天器和汽车重量更轻，因此燃料经济性也更高。

 

为了研制这种超强但轻质的金属材料，UCLA团队找到了一种方法，可以在熔融金属中分散纳米颗粒，并使其保持稳定。他们还研发了一种可扩大规模的制造方法，用以制造更多的高性能轻质金属。 

 

UCLA制造工程讲席教授李晓春是Raytheon合作项目的主要负责人，他表示：“过去有人提出纳米颗粒可以真正增强金属的强度，而且不会影响其可塑性，特别是与镁这种轻质金属结合时尤其有效。但在我们之前，还没有哪个研究机构可以在熔融金属中注入分散的陶瓷硅纳米颗粒。

 

通过物理注入和材料加工的方法，我们可以向多种不同的熔融金属中均匀注入密集纳米颗粒，开创了提高金属性能的新途径，有助于应对当下社会面临的能源节约和可持续发展挑战。”

 

结构性金属指的是承担支撑任务的金属，多用于建筑和汽车之中。金属镁的密度仅为铝的三分之二，是最轻的结构性金属。碳化硅是一种超级坚固的陶瓷材料，常用于工业刀片的制造。研究人员在金属镁中注入大量直径小于100纳米的碳化硅颗粒，能够显著提升材料的强度、硬度和可塑性，以及高温下的耐用性。

 

用研究人员的话来说，这种注入碳化硅的新型镁材料具有“创纪录”的比强度和比模量，前者指材料在破裂前可以承受的最大重量，后者指材料的刚重比。这种材料还在高温下表现出优异的稳定性。

 

长久以来，陶瓷颗粒一直被视为提高金属强度的可行方法。不过，在过去，由于颗粒仅能做到微米级，注入后会影响材料的可塑性，因而一直未得到有效利用。

 

与微米颗粒相比，纳米颗粒不但可以增强金属的硬度，而且还能保持、甚至提升材料的可塑性。但这里有个问题，由于微小粒子间会相互吸引，纳米陶瓷颗粒很容易聚成一团，而非均匀分布在新材料中。

 

为了解决这一问题，研究人员将陶瓷微粒注入熔融状态下的镁锌合金之中。这种新发现的纳米粒子主要依靠粒子运动时的动能实现分散。这可以稳定颗粒的分布，抑制聚团现象。

 

为了进一步提高新金融材料的强度，研究人员采用了高压扭转法(high-pressure torsion)对其进行压缩。

 

李教授表示，“对于这类具有革命性属性和功能性的金属材料，目前我们的研究成果仍仅涉及一点皮毛而已。”

 

这种新金属材料，更准确的说是这种新金属纳米复合材料，其成分为14%的碳化硅纳米颗粒和86%的金属镁。研究人员指出，由于镁资源相当丰富，以此为原料扩大生产并不会危害环境。

作者：Jean L. Broge
来源：SAE 《航空工程》杂志
翻译：SAE 上海办公室