鋁基復合材料因其高比強度、高比模量、高導熱、低膨脹等特性，已成為航空航天領域的關鍵結構材料。以中國科學院金屬研究所開發的SiC/Al材料為例，該材料應用于祝融號火星車的結構、機構與儀器部件，嫦娥五/六號月球探測器的鉆取采樣機構，“天宮”空間站的天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙柔性太陽翼展開機構和實驗柜轉接件，以及氣象衛星/高分辨衛星/激光通信衛星等若干光機關鍵結構，支撐我國深空探測、載人航天、高分辨對地觀測等多個國家航天重大工程領域的發展。

然而，受限于高溫下易發生的界面退化與基體軟化現象，SiC/Al材料的工作溫度通常被限制在150°C以內，這嚴重制約了其在高溫環境中的應用。為提升材料的熱穩定性，具有優異冶金結合與高溫界面穩定性的原位鋁基復合材料成為當前研究焦點。盡管這類材料在熱穩定性方面表現突出，但仍難以在保持高強度的同時實現高模量，性能協同提升依然面臨挑戰。這一局限源于傳統反應體系固有的熱力學與動力學限制：微米前驅體受限于比表面積，反應位點少、元素擴散距離受限，易導致反應不完全并形成粗大的團聚體，從而制約強度提升；納米前驅體雖然可以憑借高比表面積反應生成納米級產物，但受團聚效應和加工難度限制，且復合材料中的強化相體積分數偏低，制約模量提升。

近期，中國科學院金屬研究所研究者提出利用高能球磨促進的Ti2AlC（MAX相）和Al的原位反應，開發出了具有優異高溫強度和模量的鋁基復合材料。相關論文以題為“Hierarchical reinforcement strategy enables aluminum matrix composites with uncompromised high-temperature mechanical properties”發表在Nature Communications。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-73160-7

該Al3Ti/Al復合材料以Ti2AlC顆粒和Al粉為原料，采用高能球磨+粉末冶金的工藝進行制備。該復合材料具有多級結構，其微觀組織包括（1）均勻分散于超細晶Al基體中的亞微米Al3Ti顆粒（0.42 μm，38.6 vol.%）；（2）均勻分散于Al3Ti顆粒內的含碳納米相（2-100 nm）。

圖1復合材料的制備工藝及微觀組織

Ti2AlC的納米層狀結構使其在沿片層方向具有大量元素快速擴散通道，然而，在垂直片層的方向上的高擴散激活能抑制了元素的體擴散。在高能球磨作用下，Ti2AlC顆粒發生機械破碎產生微觀缺陷，形成元素擴散的雙路徑（垂直片層和沿片層擴散通道）。垂直片層的裂紋為原子向Ti2AlC內部擴散提供了直達路徑，同時在裂紋擴展路徑中暴露出大量沿片層擴散通道。這種擴散路徑使缺陷態Ti2AlC能夠有效繞過體擴散的高擴散激活能壘的限制，從而促進Ti2AlC的“內分解”機制。

圖2缺陷態Ti2AlC顆粒中的元素擴散路徑

Ti2AlC的“內分解”機制驅動了Al3Ti的快速形核，并以Ti2AlC + 5Al == 2Al3Ti + Ci的機制發生反應，形成獨特的復合Al3Ti顆粒。反應過程中，C被大部分限制于Al3Ti內，形成含納米含碳團簇和棒狀相。

圖3復合Al3Ti顆粒的微觀組織

這一新型Al3Ti/Al復合材料具有優異的高溫強度和模量，350°C時，復合材料的抗拉強度達246 MPa，楊氏模量達106 GPa，其比模量比TC4鈦合金、QZr0.2銅合金、45鋼、GH93鎳基合金分別高出88%、190%、55%和42%。

圖4復合材料的高溫機械性能

該Al3Ti/Al復合材料優異的高溫機械性能來自多尺度強化機制，即含碳納米相強化Al3Ti，Al3Ti強化Al。含碳納米相通過釘扎位錯，提高了Al3Ti的位錯儲存能力；Al3Ti顆粒在350°C時和Al仍保持冶金結合，抑制了基體軟化。理論計算揭示了三種主要的強化機制（位錯強化、細晶強化和載荷傳遞），這些強化機制在室溫及350°C時的貢獻基本相當。

圖5拉伸變形后復合材料的微觀組織

該研究核心創新在于缺陷促進的Ti2AlC“內分解”機制，通過雙路徑元素擴散克服了表面擴散主導的反應動力學限制。該策略解決了強化相尺寸和體積分數之間的內在矛盾，這種方法的可擴展性通過百公斤級的生產實驗進行了驗證。

該研究工作的第一作者為胡紅潔、時譽航（共同一作），通訊作者為中國科學院金屬研究所肖伯律研究員、昝宇寧研究員，中南大學宋淼教授。

金屬所金屬基復合材料研究團隊創始人為國家杰青馬宗義研究員，是國內最早開展金屬基復合材料研究的科研團隊之一，為中國科學院科苑名匠團隊，研究方向貫穿粉冶/鑄造、擠/鍛/軋、焊接及增材制造全鏈條工藝。團隊現有國家杰青、國家領軍等國家級高層次人才4人，省部級人才14人。團隊承擔863、973、國家重點研發計劃、國家自然科學重點基金、中科院前沿科學重點研究以及國防軍工、企業合作等各類項目，近年來牽頭國家重點研發計劃4項、主持NSFC重點10余項，作為掛靠單位牽頭組建3個國家一級學會的專委會，相關成果在空天、核電、交通等關鍵領域實現多項突破性應用，近年來為嫦娥、天問、空間站、北斗、東風、風云、高分、星網等數十個國家重大型號提供配套零件萬余件、材料數百噸，實現多項“首臺首套”關鍵突破，成果轉化成立國家級專精特新“小巨人”公司。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Acta Mater.等國際著名期刊上發表SCI收錄論文500余篇。

研究團隊積極推進人才隊伍培養，梯隊建設穩步發展，從人才、技術、設備保障、檢測標準等方面打造領域內國際一流的研發基地。長期招聘高性能鋁合金/鋁基復合材料領域人才（高層次人才/博士后/博士生等），有意者可郵件聯系（ynzan15b@imr.ac.cn，昝宇寧）。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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