这是铜钽锂合金的彩色扫描透射电子显微镜图像。橙色代表铜原子,黄色代表钽原子,蓝色代表锂原子。图片来源:美国理海大学

美国陆军研究实验室和理海大学等机构的科学家携手开发出一种纳米结构铜钽锂合金。该合金是有史以来最具弹性的铜基材料之一,机械强度和热稳定性可媲美传统高温合金,有望用于航空航天、国防和工业领域。相关研究论文发表于26日出版的《科学》杂志。

新型铜钽锂合金由铜锂沉积物与富含钽的原子双层复合物交织而成。其中,钽复合物充当纳米晶体结构的稳定剂,既能防止晶粒生长,又能大幅提高合金的耐高温性能。实验结果显示,即便长期暴露于极端高温,甚至在接近其熔点的高温与机械应力环境,该合金都能保持结构完整,形状不变,展现出极高的耐高温性能。

高温合金又称超合金,是铁基、镍基和钴基等高温合金的总称。团队表示,喷气发动机上使用的镍基高温合金非常坚固,但缺乏铜合金的高导热性。钨基合金耐热性能优异,但密度大且难以制造。而新型铜钽锂合金兼具铜的优异导电性和高温合金的强度和稳定性,在极端条件下几乎无退化变形。这一突破使其成为制造热交换器、先进的推进系统,以及导弹和超高音速飞机的热管理系统的理想候选材料。

团队使用粉末冶金技术,通过高能低温研磨工艺,精准调控了该合金的纳米结构。为验证其稳定性,他们将合金置于800℃的环境中持续退火10000小时,并利用先进的显微镜技术揭示其中铜锂的沉积结构。蠕变试验进一步证实了其在极端条件下的超凡耐久性。密度泛函理论计算建模结果也验证了钽原子双层复合物的稳定作用。