密歇根大学首次对铝纳米复合材料进行3D可视化 有助于汽车行业优化轻量化应用

盖世汽车讯 使用坚固、轻便的铝合金（而非钢材）来制造汽车，可以提高燃油效率，延长电动汽车的续航里程。但这种材料在高温下表现出不稳定性，使其广泛应用受到影响。

（图片来源：密歇根大学）

直接在熔融铝内部创建微小的增强碳化钛（TiC）颗粒可以产生强度更高、更耐温的铝基材料，称为金属基纳米复合材料。到目前为止，研究人员还不清楚这些纳米颗粒是如何形成的，或者它们如何与微观结构中的其他特征相互作用，这阻碍了以工业规模生产材料。

据外媒报道，密歇根大学（University of Michigan）的研究人员利用独特的高分辨率3D X射线技术，首次揭示了纳米颗粒的形成过程、位置，以及它们如何促进熔融金属的进一步凝固。

密歇根大学材料科学与工程和化学工程学副教授Ashwin Shahani表示：“大多数金属的生命周期是以液态开始的。如何从液体转化为固体最终将决定它们的微观结构，从而决定其性能和应用。这项研究有助于准确地了解在铸造过程中纳米颗粒如何与二次相相互作用。这是过去半个世纪一直存在的重大挑战。”

由于纳米颗粒小于100纳米（即万分之一毫米），研究人员利用强大的成像技术，即基于同步加速器的X射线纳米层析成像，以非破坏性的3D方式使金属微观结构可视化，这是传统成像方法无法实现的。

为了实现可视化效果，研究人员制作了一种用碳化钛（TiC）增强的铝复合材料。这涉及到一种助熔剂（flux-assisted）反应，其中碳粉和含钛盐的混合物与铝熔体反应。出人意料的是，3D重建揭示了铝化钛（Al3Ti）金属间结构的多样性，其中包括直接在直径大于200 nm的TiC纳米颗粒上形成的结构。在这种情况下，Al3Ti晶体生长成一种不寻常的正交板（orthogonal plate）结构。同时，小于200纳米阈值的TiC纳米颗粒在凝固过程中分裂Al3Ti金属间化合物板（intermetallic plates），从而形成分支结构。

除了成像之外，研究人员还利用相场模拟来填补实验中的时空“空白”，并提出了一种微观结构形成的机制。Shahani表示：“现在有证据表明，纳米颗粒早在金属间化合物之前就形成了，而不是相反的方式，这首先对纳米颗粒的成核具有重要影响。”

基于这些研究结果，现在行业伙伴在大规模制造铝复合材料时可以引导TiC和Al3Ti的形成，调整凝固途径或合金化学成分，以实现所需的微观结构及相关性能。密歇根大学电动汽车中心负责人Alan Taub教授表示：“我们早就知道纳米颗粒可以改善金属基复合材料的性能，但这种材料无法大规模生产。现在我们了解了相关的形成机制，将有助于行业合作伙伴优化轻量化应用过程。”