天地协同探索合金“混溶”奥秘

2024-08-21 16:38:38 来源：科技日报

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相分离合金因具有独特的物理与力学性能，以及在机械、汽车和电子等领域的广阔应用前景，近年来越来越受到人们关注。

然而，在地面常规凝固条件下，该类合金很难制备，其应用受到极大限制。

8月19日，科技日报记者从中国科学院金属研究所了解到，借助太空微重力环境，该所赵九洲研究员项目团队在相分离合金制备方面取得了重要进展。他们建立了相分离合金凝固过程模型，探索了用电场、磁场和微合金化等调控相分离合金凝固过程、促进原位复合凝固组织形成的可行性。

日常生活中，有很多相分离现象，比如油浮在水的上层，或在水滴表面形成油壳。很多合金在凝固的过程中也会有类似的难以“混溶”现象，即合金熔体在冷却过程首先会析出第二相液滴或颗粒，发生液—液或液—固相分离。这类合金被统称为相分离合金。

长期以来，材料科学家致力于相分离合金的凝固过程研究，期望能通过使用合理的凝固方法和优化凝固过程工艺参数，获取具有理想凝固组织的相分离合金材料，满足工业需求。

“但是，相分离的金属在地面重力条件下凝固时，极易形成分布不均匀乃至金属元素分层的组织。因此，长期以来该类合金的研制与应用受到严重制约。”赵九洲说。

太空微重力环境为解决这一问题带来了曙光。空间环境能够提供长时间稳定的微重力条件，可有效消除地面重力导致的熔体对流和析出相的沉积与浮动现象，为相分离合金凝固理论研究提供了优异的条件。

近年来，在中国载人空间站工程等项目的支持下，赵九洲项目团队基于大量的地面研究，优化设计了相分离合金的成分和凝固工艺，在天宫二号以及中国空间站上开展了相分离合金的凝固实验，获得了铝铋锡和钆钛钴原位粒子均匀分布的复合材料样品和具有壳—核结构的球形样品。

通过天地协同研究，科研团队揭示了相分离合金凝固过程和重力/微重力的影响，发展了相分离合金的凝固理论，提出了相分离合金凝固组织调控方法，为相分离合金的成分设计与工业制备技术研发奠定了基础。

更重要的是，在项目研究过程中，团队高度重视理论研究成果在工业生产中的应用。以相关理论为指导，他们研发了多种关键材料的制备技术，制备的相分离合金材料在核电、电子通信、装备制造等领域获得应用。

“基于这些研究，从2004年至今，我们在《国家科学评论》《材料杂志》等期刊上发表论文200余篇，获授权发明专利40余项，并且撰写了学术专著《金属基复合材料原位形成理论基础》。”赵九洲说。

这些成果获得了国内外学者的高度评价。他们认为，赵九洲团队利用航天飞行器对二元和三元相分离合金凝固行为进行了开拓性研究，这些研究有助于澄清相分离合金凝固组织演变的动力学细节。