铝（Al）合金因具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好、可循环利用等优点，越来越广泛地应用于交通运输、航空航天和5G通讯等高端制造业领域。同时，随着轻量化发展及节能减排等越来越高的要求，对铝合金材料的力学性能，尤其是高温力学性能提出了更高的要求。然而，传统的铝合金材料受其强化相高温不稳定等因素的制约，在高温环境中将发生快速软化而导致其失稳，已无法满足高温服役环境下对材料高耐热性和高强度的迫切要求。

针对上述背景与重大需求，山东大学刘相法教授团队与西安交通大学刘思达教授团队围绕耐热高强铝合金新材料进行了研究和技术攻关。近日，该团队在350 °C级别耐热高强铝合金材料的研发上取得重要进展。他们采用液–固反应合成技术制备出一种可批量生产的高强耐热Al-Cu复合材料，在350 °C高温测试条件下，(8.2AlN+1Al₂O₃)_p/Al-0.9Cu复合材料具有高达187 MPa的极限抗拉强度和4.6%的延伸率，远高于大多数已报道的铝合金材料。

相关成果以“A Novel Al-Cu Composite with Ultra-High Strength at 350 °C via Dual-Phase Particle Reinforced Submicron-Structure”为题发表在材料顶级期刊《Advanced Science》 (中科院1区TOP期刊，影响因子：15.1)。山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室为论文第一作者单位和第一通讯单位。论文第一作者为山东大学谢可伟博士生；作者依次为：谢可伟博士生（山东大学）、聂金凤副教授（南京理工大学）、刘畅教授（西安交通大学）、察文豪硕士生（德国亚琛工业大学）、吴戈教授（西安交通大学）、刘相法教授（山东大学）、刘思达教授（西安交通大学）。该研究得到了国家自然科学基金重点项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202207208

图1 耐热Al-Cu复合材料的力学性能。(a) 350 °C测试条件下拉伸试棒的工程应力-应变曲线（图中插图为应变硬化率曲线）；(b)与其它铝合金/铝基复合材料在350 °C测试条件下力学性能的对比

图2 复合材料的微观结构。(a–c) 典型的复合材料明场TEM图像；(a1–a4)为(a)的EDS mapping图；(d) AlN颗粒的HRTEM图像；(e) Al₂O₃颗粒的HRTEM图像；(f–g) GP zones的HAADF图像；(h–i) θ' (Al₂Cu)相的HAADF图像

图3 复合材料的变形机制。(a–c)经350 °C高温形变后α-Al基体的TEM图像；(d) HAADF图像；(e) GPA应力图；(f) 图(d)与(e)的叠加；(g) 图(f)的局部放大

基于以上基础研究，研究团队首次提出并建立了耐热高强铝合金的“三化”设计准则：耐热相粒子纳米化、基体晶粒超细化、微纳晶界骨架化，为耐热高强轻合金材料的研发开辟了新思路。该研究对现代发动机制造、航空航天和国防等高端装备制造领域轻量化发展具有重要的现实意义和重大的战略价值。