首次对汽车工业用铝纳米复合材料进行3D可视化

使用坚固、轻质的铝合金而非钢材来制造汽车可以提高燃油效率并延长电动汽车的行驶里程，但材料在高温下的不稳定性阻碍了合金的广泛应用。

直接在熔融铝内部产生微小的增强碳化钛(TiC)颗粒，可以形成强度更高、耐高温的铝基材料，称为金属基纳米复合材料。

到目前为止，研究人员还不了解这些纳米粒子是如何形成的，或者它们如何与微观结构中的其他特征相互作用，从而阻碍了该材料的工业规模生产。

密歇根大学的研究人员利用独特的高分辨率3DX射线技术首次揭示了纳米颗粒的形成过程、它们的位置以及它们如何促进熔融金属的进一步凝固。有关这项研究的论文将发表在《ActaMaterialia》9月刊上。

“大多数金属都是以液态开始其使用寿命的。它们如何从液态转化为固态将最终决定它们的微观结构，从而决定它们的特性和应用，”密歇根大学材料科学与工程和化学工程副教授，该研究的共同通讯作者阿什温·沙哈尼(AshwinShahani)说。

“这项研究使我们能够准确地了解纳米粒子如何与铸造中的第二相相互作用，这在过去半个世纪里一直是一个重大挑战。”

由于纳米粒子小于100纳米(即万分之一毫米)，研究人员使用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)以3D形式无损可视化金属微观结构，这是传统成像方法无法实现的。

为了获得可视化效果，研究人员制作了一种用碳化钛(TiC)增强的铝复合材料。这涉及一种助熔剂反应，其中碳粉和含钛盐的混合物与铝熔体发生反应。

3D重建结果显示钛铝化物(Al3Ti)金属间化合物结构具有意想不到的多样性，其中包括一种直接在直径大于200纳米的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状结构。同时，小于200纳米阈值的TiC纳米颗粒在凝固过程中分裂了Al3Ti金属间化合物板，形成了分支结构。

除了成像之外，研究人员还利用相场模拟来填补实验中的时空“空白”，并提出了微结构形成的机制。

沙哈尼说：“我们现在有证据表明，纳米颗粒早在金属间化合物之前就形成了，而不是相反，这对于纳米颗粒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生产铝复合材料时指导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特性。

“我们早就知道纳米粒子可以提高金属基复合材料的性能，但这种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，”密歇根大学罗伯特·H·卢里工程学教授、电动汽车中心主任、该研究的共同通讯作者艾伦·陶布说。