国产飞机高铁步入轻量化时代

2017年12月17日国产大型客机C919-10102架机在上海浦东机场第四跑道首次飞上蓝天，资料图片

日前，烯碳铝合金锭坯从上海烯碳金属基复合材料工程中心的生产线上成功下线，标志着这一新型高端复合材料中试成功。它解决了传统铝合金刚度不强的问题，将助推我国航空、高铁、汽车等高端制造领域步入轻量化时代。

顺应绿色、低碳理念，轻量化成为高端制造领域新的发展方向。铝合金以其低密度、高比强、易加工成形等特点，应用范围越来越广，飞机、高铁纷纷穿上了铝合金“外衣”。比如，国产大飞机C919就用铝锂合金为自身减重，铝锂合金在机体结构的占比达7.4%。铝合金“外衣”虽然轻，但容易变形，因为材质太软，一旦交通工具提速，其变形量就会超出安全界限。工业界通过添加各种材料来为其补足强度，制成铝锂合金、铝陶合金等，将碳纳米管、石墨烯等新型增强相引入铝合金更被普遍看好。

上海交通大学材料科学与工程学院张荻教授告诉记者，碳纳米管及石墨烯具有卓越的力学性能，其密度只有钢材的1/6，强度却百倍于钢材，刚度与自然界中最硬的金刚石接近。只需将少量碳纳米管及石墨烯均匀分散到铝合金基体中，就能部分取代昂贵的合金元素，还能极大提高其强度、刚度等力学性能。

早在1997年，日本科学家就开始了碳纳米管增强铝基复合材料的研究，近十年进展缓慢。张荻解释说，碳纳米管的直径不及头发丝的1‰，石墨烯的厚度更是不到头发丝的0.1酃，要把它们一根根在铝合金中分散开来又不被破坏，着实困难。为攻克这一难关，张荻向自然要灵感，他借鉴贝壳“珍珠母”的叠层结构，研发出“微纳叠片粉末冶金”这一独创的仿生复合技术：先将铝制成微纳片状粉末，再与碳纳米管和石墨烯在微观尺度下均匀复合成“砖”，然后通过工艺控制，像垒墙一样形成“砖砌式”叠层结构的烯碳铝基复合材料。

为了走通新技术转化之路，上海交通大学与上海市石墨烯产业技术功能型平台组成上海烯碳金属基复合材料工程中心，开始了产品中试。为了容纳项目核心设备形型压机，石墨烯平台为该项目提供了600平方米、挑高11米的厂房，并改造了地基和电路。他们还从世界上各种石墨烯粉末中挑选出最适合添加在铝合金中的那一种。截至目前，工程中心已形成年产能20吨的中试产线，可制备单重达0.5吨的锭坯，并研发出中强、高强、超高强等系列高模量烯碳铝合金。

据悉，烯碳铝合金从技术制备到生产设备具有完整的自主知识产权，替代现役铝合金构件预期可减重10%到30%，综合性能水平世界领先。目前，上海烯碳金属基复合材料工程中心已联合中航工业、中航科技、中国中车等单位，开展烯碳铝合金在飞机、航天运载器结构、“标准动车组”列车、新能源汽车等装备上的应用验证。

作者：沈湫莎

编辑：苏展

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