汽车行业铝纳米复合材料的首次3D可视化

用坚固、轻质的铝合金而不是钢制造汽车可以提高燃油效率，扩大电动汽车的续航里程，但这种材料在高温下的不稳定性阻碍了合金的广泛应用

直接在熔融铝中产生微小的增强碳化钛（TiC）颗粒，可以产生一种更坚固、更耐高温的铝基材料，称为金属基纳米复合材料

到目前为止，研究人员还不清楚这些纳米粒子是如何形成的，或者它们是如何与微观结构中的其他特征相互作用的，这阻碍了材料在工业规模上的生产

密歇根大学的研究人员使用了一种独特的高分辨率3D X射线技术，首次了解了纳米粒子的形成方式、位置以及它们如何促进熔融金属的进一步固化。关于这项工作的论文将发表在《材料学报》9月刊上

密歇根大学材料科学与工程与化学工程副教授、该研究的合著者Ashwin Shahani表示：“大多数金属在液态下开始其寿命。它们如何从液态转化为固态将最终决定其微观结构，从而决定其性能和应用。”

“这项研究使我们能够准确了解纳米颗粒在铸造过程中如何与次生相相互作用，这在过去半个世纪里一直是一个重大挑战。”

在TiC纳米颗粒上成核的Al3Ti“正交板”的放大图。该结构沿其最长尺寸测量为10μm。Image caption：Ashwin Shahani，密歇根工程

由于纳米粒子小于100纳米，即万分之一毫米，研究人员使用了一种强大的成像技术，称为基于同步加速器的X射线纳米断层扫描，在3D中无损地显示金属微结构——这是传统成像方法无法实现的壮举

为了获得可视化效果，研究人员创建了一种用碳化钛（TiC）增强的铝复合材料。这涉及助熔剂辅助反应，其中碳粉和含钛盐的混合物与铝熔体反应

3D重建揭示了意想不到的钛铝化物（Al3Ti）金属间结构的多样性，包括一种直接在直径大于200 nm的TiC纳米颗粒上形成的结构。在这种情况下，Al3Ti晶体生长成一种不寻常的正交板结构。同时，小于200纳米阈值的TiC纳米粒子在凝固过程中分裂了Al3Ti金属间板，形成了分支结构

除了成像，研究人员还使用相场模拟来填补实验中的时空“空白”，并提出了微观结构形成的机制

Shahani说：“我们现在有证据表明，纳米粒子在金属间化合物之前就已经形成，而不是相反，这对纳米粒子的成核具有重要意义。”

有了这些结果，行业合作伙伴现在可以在大规模制造铝复合材料时指导TiC和Al3Ti的形成——调整凝固路径或合金化学成分，以实现所需的微观结构及其相关性能

“我们早就知道纳米颗粒可以提高金属基复合材料的性能，但这些材料无法大规模生产。我们现在了解了形成机制，这将使我们的行业合作伙伴能够优化轻量化应用的工艺，”密歇根大学Robert H.Lurie工程教授、电动汽车中心主任、该研究的共同通讯作者Alan Taub说 More information: Aaron Gladstein et al, Direct evidence of the formation mechanisms of TiC nanoparticles and Al₃Ti intermetallics during synthesis of an Al/TiC metal matrix nanocomposite, Acta Materialia (2024). DOI: 10.1016/j.actamat.2024.120189

Journal information: Acta Materialia