突破性的Cu-Ta-Li合金有可能徹底改變航空航太、國防和工業應用。美國陸軍研究實驗室(ARL)和利哈伊大學的研究人員開發出了一種先進的奈米結構銅合金，為航空航太、國防和工業應用的高溫性能樹立了新的標竿。

彩色掃描透射電子顯微鏡(STEM) 影像顯示了Cu-Ta-Li 合金中的Cu3Li 沉澱物。橙色特徵主要是合金基質中的Cu 原子，而藍色和黃色特徵對應於Cu3Li 沉澱物。黃色代表原子雙層複合物中的Ta 原子，藍色特徵代表Cu3Li 沉澱物核心中的Li 原子。圖片來源：利哈伊大學

他們的研究發表在《科學》雜誌上，提出了一種Cu-Ta-Li（銅-鉭-鋰）合金，該合金具有出色的熱穩定性和機械強度，是有史以來最具彈性的銅基材料之一。

「這是尖端科學，開發一種新材料，獨特地將銅的出色導電性與鎳基高溫合金的強度和耐用性相結合，」利哈伊大學材料科學與工程系美國鋁業基金會名譽教授、該研究的合著者馬丁·哈默(Martin Harmer) 表示。 “它為工業和軍方提供了為超音速和高性能渦輪發動機製造新材料的基礎。”

馬丁‧哈默(Martin Harmer)，利哈伊大學材料科學與工程系美國鋁業基金會榮譽教授。圖片來源：利哈伊大學

ARL 和利哈伊大學的研究人員與亞利桑那州立大學和路易斯安那州立大學的科學家合作開發了這種合金，它能夠承受極端高溫而不會出現明顯的性能下降。

這項突破源自於Cu₃Li 沉澱物的形成，這種沉澱物由富含Ta 的原子雙層複合物穩定，這是利哈伊大學研究人員率先提出的概念。與高溫下隨時間遷移的典型晶粒邊界不同，這種複合物充當了結構穩定劑，可維持奈米晶體結構，防止晶粒生長，並顯著提高高溫性能。

利哈伊大學研究科學家、研究報告共同作者派崔克‧坎特韋爾指出，這種合金在極端、長期的熱暴露和機械應力下仍能保持其形狀，即使在接近熔點時也能抵抗變形。

透過將鎳基高溫合金的高溫彈性與以優異的導電性而聞名的銅相結合，該材料為下一代應用鋪平了道路，包括熱交換器、先進的推進系統以及尖端導彈和高超音速技術的熱管理解決方案。

一類新型高性能材料

這種新型Cu-Ta-Li 合金具有現有材料所不具備的平衡特性：

• 鎳基高溫合金（用於噴射引擎）強度極高，但缺乏銅合金的高熱導率。
• 鎢基合金具有極高的耐熱性，但密度高且難以製造。
• 這種Cu-Ta-Li 合金結合了銅的卓越導熱性和導電性，同時在極端溫度下仍能保持強度和穩定性。
• 雖然它不能直接取代超高溫應用中的傳統高溫合金，但它有可能在下一代工程解決方案中對其進行補充。

研究人員如何製作和測試它

該團隊採用粉末冶金和高能量低溫研磨技術合成了這種合金，確保了其精細的奈米結構。然後他們對其進行了以下處理：

• 在800°C下進行10000小時（一年多）的退火，測試其長期穩定性。
• 先進的顯微鏡技術，揭示了Cu₃Li 沉澱物結構。
• 抗蠕變實驗，確認其在極端條件下的耐久性。
• 利用密度泛函理論（DFT）進行計算建模，驗證了Ta雙層複合物的穩定作用。

專利、資金和未來工作

美國陸軍研究實驗室獲得了該合金的美國專利（US 11，975，385 B2），凸顯了其戰略意義，特別是在軍用熱交換器、推進系統和高超音速飛行器等國防應用方面。

這項研究得到了美國陸軍研究實驗室、美國國家科學基金會和利哈伊大學校長奈米人機介面(NHI) 計劃的支持，該計劃旨在促進奈米技術的創新。利哈伊大學與ARL 的長期合作關係已持續十多年，在推動材料科學的發展方面發揮了重要作用。

科學家表示，進一步的研究將包括直接測量該合金與鎳基替代品的熱導率，為其潛在應用做好準備，以及以類似的設計策略開發其他高溫合金。

「該計畫很好地體現了聯邦政府對基礎科學的投資如何推動美國在材料技術領域的領先地位，」哈默說。 “這樣的科學發現是加強國家安全和推動工業創新的關鍵。”

編譯自/ ScitechDaily