日前，烯碳鋁合金錠坯從上海烯碳金屬基復(fù)合材料工程中心的生產(chǎn)線上成功下線，標(biāo)志著這一復(fù)合材料的中試取得成功。這也是上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺推出的首個拳頭產(chǎn)品，它解決了傳統(tǒng)鋁合金剛度不強(qiáng)的問題，有助于我國航空、高鐵、汽車等高端制造領(lǐng)域步入輕量化時代。

隨著低碳、綠色、節(jié)能、減排的理念深入人心，輕量化成為高端制造領(lǐng)域必然地發(fā)展方向，鋁合金以其低密度、高比強(qiáng)、易加工成形成而得到越來越廣的應(yīng)用，飛機(jī)、高鐵等紛紛穿上了鋁合金“外衣”。比如國產(chǎn)大飛機(jī)C919就用鋁鋰合金為自身減重，鋁鋰合金在機(jī)體結(jié)構(gòu)的占比達(dá)到7.4%。

“衣服”輕則輕矣，但有容易變形的弊端，究其原因，是鋁合金的剛度不夠。工業(yè)界通過添加各種材料來補(bǔ)足強(qiáng)度，鋁鋰合金、鋁陶合金都是發(fā)展方向，加入碳納米管、石墨烯等新型增強(qiáng)相形成鋁基復(fù)合材料更被普遍看好。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張荻教授表示，碳納米管及石墨烯具有卓越的力學(xué)性能，其密度只有鋼材的1/6，強(qiáng)度卻超過鋼材的100倍，剛度與自然界中最硬天然金剛石接近。只要有少量的碳納米管及石墨烯被均勻分散到鋁合金基體中，就能部分取代昂貴的合金元素，還能在保持鋁合金良好的加工性能基礎(chǔ)上極大提高其強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能。

前景被看好，但這一技術(shù)路線卻遲遲不見進(jìn)展。早在1997年，日本科學(xué)家就開始了碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究，近十年均收效甚微。張荻說：“碳納米管的直徑不及頭發(fā)絲的千分之一，石墨烯的厚度更是不到頭發(fā)絲的十萬分之一，要把它們一根根在鋁合金中分散開來又不被損傷破壞，著實困難。”

張荻擅長向自然要靈感，他借鑒貝殼“珍珠母”的疊層結(jié)構(gòu)，最終開發(fā)出“微納疊片粉末冶金”這一獨創(chuàng)的仿生復(fù)合技術(shù)：先將鋁制成微納片狀粉末，再與碳納米管和石墨烯在微觀尺度下均勻復(fù)合成為“磚”，然后通過工藝控制，像壘墻一樣形成“磚砌式”疊層結(jié)構(gòu)的烯碳鋁基復(fù)合材料。

實驗室的成果最終是要被用的——為了走通科技成果轉(zhuǎn)化之路，上海交通大學(xué)與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺組成上海烯碳金屬基復(fù)合材料工程中心，開始了產(chǎn)品中試。為了容納項目核心設(shè)備形型壓機(jī)，石墨烯平臺為該項目提供了600平方米、挑高11米的廠房，并改造了地基和電路。他們還從世界上各種石墨烯粉末中挑選出最適宜添加在鋁合金中的一種。截至目前，工程中心已經(jīng)形成年產(chǎn)能20噸的中試產(chǎn)線，可制備單重達(dá) 0.5噸的錠坯，并研發(fā)出中強(qiáng)、高強(qiáng)、超高強(qiáng)等系列高模量烯碳鋁合金。

張荻表示，烯碳鋁合金從技術(shù)制備到生產(chǎn)設(shè)備具有完整的知識產(chǎn)權(quán)，替代現(xiàn)役鋁合金構(gòu)件預(yù)期減重可達(dá)10%~30%，輕量化效益十分顯著，該技術(shù)水平和綜合性能均世界領(lǐng)先。上海石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺總經(jīng)理梁勇表示，工程中心已聯(lián)合中航工業(yè)、中國航天科技、中國中車集團(tuán)等國內(nèi)應(yīng)用單位，開展烯碳鋁合金在飛機(jī)、航天運載器結(jié)構(gòu)、“標(biāo)準(zhǔn)動車組”列車、新能源汽車等裝備上的應(yīng)用驗證，下一步，烯碳金屬基復(fù)合材料工程中心將進(jìn)一步整合雙方優(yōu)勢資源，對接上海市優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，加快開展應(yīng)用研發(fā)和推廣，率先實現(xiàn)新型烯碳鋁合金材料的優(yōu)先突破。