新材料赋予铜材超合金般的强度
这种突破性的纳米结构铜合金，有望重新定义航空航天、国防和工业应用中的高温材料。
新材料赋予铜材超合金般的强度
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突破性材料有望改变航空航天、国防和工业应用。
故事作者： Editorial Services 发布于： 2025年4月11日 标签： Faculty Innovation P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science Research Materials Science and Engineering
来自 U.S. Army Research Laboratory (ARL) 和 Lehigh University 的研究人员，开发出一种突破性的纳米结构铜合金，有望重新定义航空航天、国防和工业应用中的高温材料。
他们的发现，发表在 Science 杂志上，介绍了一种具有出色热稳定性和机械强度的 Cu-Ta-Li (Copper-Tantalum-Lithium) 合金，使其成为有史以来最坚韧的铜基材料之一。
Lehigh 与 ARL 长达十多年的长期合作，在推动材料科学的边界方面发挥了重要作用。这项研究是 Lehigh 和 ARL 之间 一项价值 2500 万美元的合作协议 的成果，旨在开发下一代金属合金。该研究还得到了 National Science Foundation 和 Lehigh 的 Presidential Nano-Human Interfaces (NHI) Initiative 的支持，这是一项多学科研究工作，旨在促进纳米技术的创新。
“这是一项前沿科学，开发出一种独特的材料，将铜的卓越导电性与镍基超合金的强度和耐久性结合在一起，”Martin Harmer, the Alcoa Foundation Professor Emeritus of Materials Science and Engineering at Lehigh 也是该研究的合著者说。“它为工业界和军方提供了基础，可以为高超音速和高性能涡轮发动机创造新材料。”
Martin Harmer, the Alcoa Foundation Professor of Materials Science and Engineering, and Director of the Nano/Human Interface Presidential Research Initiative.
ARL 和 Lehigh 的研究人员与 Arizona State University 和 Louisiana State University 的科学家合作开发了该合金，该合金可以在极端高温下承受而不会发生明显的降解。
这种以及其他创新合金将继续在 Lehigh 新近装备的高科技研究实验室，Nanoalloy Lab 和 Nanoceramics Lab 中进行研究，其中包括高压扭转系统、纳米压痕设备和专用高温炉。
将铜与复合物稳定的纳米结构相结合
这项突破来自于 Cu₃Li 析出物的形成，该析出物由富含 Ta 的原子双层复合物稳定，这是 Lehigh 研究人员 率先提出的概念。与典型晶界在高温度下随时间迁移不同，这种复合物充当结构稳定剂，维持纳米晶结构，防止晶粒长大，并显着提高高温性能。
Lehigh University 的研究科学家兼该研究的合著者 Patrick Cantwell 指出，该合金在极端、长期的热暴露和机械应力下保持其形状，即使在其熔点附近也能抵抗变形。
通过将镍基超合金的高温韧性与以卓越导电性著称的铜相结合，该材料为下一代应用铺平了道路，包括热交换器、先进推进系统和用于尖端导弹和高超音速技术的热管理解决方案。
一种新型高性能材料
这种新型 Cu-Ta-Li 合金提供了现有材料中未发现的性能平衡：
- 镍基超合金（用于喷气发动机）非常坚固，但缺乏铜合金的高导热性。
- 钨基合金具有很高的耐热性，但密度大且难以制造。
- 这种 Cu-Ta-Li 合金结合了铜的卓越导热性和导电性，同时在极端温度下仍保持坚固和稳定。
- 虽然不能直接替代超高温应用中的传统超合金，但它有可能在下一代工程解决方案中对其进行补充。
研究人员如何制造和测试它
该团队使用粉末冶金和高能低温研磨合成了该合金，从而确保了精细的纳米结构。然后，他们进行了以下测试：
- 在 800°C 下退火 10,000 小时（超过一年），测试其长期稳定性。
- 先进的显微镜技术，揭示了 Cu₃Li 析出物的结构。
- 蠕变电阻实验，证实了其在极端条件下的耐久性。
- 使用密度泛函理论 (DFT) 进行计算建模，验证了 Ta 双层复合物的稳定作用。
专利、资金和未来工作
Christopher Marvel ’12 ’16 Ph.D. 是论文的作者，也是 Louisiana State University 的机械工程教授，他说，这样的项目需要多年的精心工作和合作。
“Lehigh 在电子显微镜方面享有盛誉，这正是 ARL 对与我们合作开发这种材料感兴趣的原因。 我们的显微镜技术对于理解这种材料至关重要，”Marvel 说，他在六年多的时间里帮助领导了这部分研究。“Lehigh 的教职员工多年来从事过许多高水平的研究项目，他们都教会了我不同的东西，我现在将这些东西应用为学术知识。”
ARL 被授予该合金的美国专利 (US 11,975,385 B2)，突显了其战略意义，尤其是在军事热交换器、推进系统和高超音速飞行器等国防应用中。
这项工作只是 Lehigh 和 ARL 之间众多合作中的一项，这些合作促成了重大发现、在高知名度出版物上发表论文、获得屡获殊荣的海报提交以及 Lehigh 学生在著名奖学金中的安置。
Alum Joshua Smeltzer ’17 ’23 Ph.D. 现在是 Honeywell 的一名设计工程师，他也为这项研究做出了贡献，使用 Lehigh 的 Atomic Resolution Microscope (ARM) 对超合金进行了先进的微观结构表征。
“Lehigh 的 ARM 是一种最先进的电子显微镜，它是一种独特的仪器，使科学家能够从原子尺度分析材料，”Smeltzer 说。“在这项工作中，ARM 被用于在纳米和原子尺度上对超合金进行成像，从而为合金的卓越性能提供了一种机械解释。”
进一步的研究将包括直接测量合金的热导率与镍基替代品相比，准备好它以用于潜在的应用，以及遵循类似设计策略开发其他高温合金。
Harmer 说：“这个项目是联邦对基础科学的投资如何推动美国在材料技术领域的领导地位的一个很好的例子。”“诸如此类的科学发现是加强国家安全和推动工业创新的关键。”
故事作者：Dan Armstrong
Lehigh 已被 Carnegie Classification of Institutions of Higher Education 命名为 R1 研究型大学。 具有此称号的大学在 Carnegie Classification 中开展最高水平的研究活动。 Lehigh 是 Lehigh Valley 中唯一拥有此称号的大学，也是宾夕法尼亚州七所大学之一。了解更多 .