摘要:

研究论文 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

传统合金制造通常依赖高温熔融等高能耗工艺，存在能耗较高、材料浪费及成形缺陷等问题。针对这些挑战，近期，浙江大学机械工程学院贺永教授课题组，提出了一种室温金属反应驱动的混凝土型合金（Concrete-Type Alloy，CTA）制造策略，利用镓基液态金属与铜之间的反应，在室温下成型的多相复合结构CTA具备优异的力学性能，其纳米硬度和弹性模量分别达到6 GPa和150 GPa，实现室温下的金属反应与原位合金化。研究成果发表于SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Metallic reaction driven manufacturing of concrete type alloy”的文章。

图文摘要 2.图文解析   本研究的创新之处在于提出了一种金属反应驱动的室温制造策略，以铜（Cu）为基体金属、镓基液态金属为合金化组分、氢氧化钠（NaOH）为催化剂，在满足特定热力学条件的多组分金属体系中，通过金属反应构筑具有多相复合结构的混凝土型合金（Concrete-Type Alloy，CTA），如图1所示。该策略为降低合金制造过程中的热输入、探索金属材料的低温制备提供了新思路。

图1 金属反应驱动的混凝土型合金制造原理图。针对室温金属反应过程中产生的孔隙缺陷，该研究引入冷等静压（CIP）处理来促进材料致密化并改善力学性能，如图2所示。结果表明，冷等静压处理后，材料的纳米硬度、弹性模量和刚度均得到显著提升。其中，纳米硬度由约1.2 GPa提高至约5 GPa，弹性模量达到约 150 GPa。研究表明，将室温金属反应与后续致密化处理相结合，有助于协同调控材料的微观结构与力学性能。

图2 CTA冷等静压处理前后的纳米结构。为进一步提升混凝土型合金的力学性能，该研究引入碳纤维、活性炭及MXene等增强组分，构建第二相增强的混凝土型合金，如图3所示。其中，碳纤维增强CTA的表面纳米硬度最高达到8 GPa，而MXene@增强CTA的表面纳米硬度达到10 GPa。此外，研究还发现，碳纤维有助于抑制裂纹扩展，而MXene可通过与修复区域形成冶金结合界面改善增强效果。上述结果说明合理选择第二相能够进一步提升材料的局部力学性能，为混凝土型合金的性能定制提供了新路径。

图3 碳纤维与MXene增强区域的纳米硬度及力学性能对比。面向工程应用中金属构件的修复需求，将该制造策略进一步应用于铜合金构件修复，如图4所示。通过对损伤区域进行处理、引入镓基液态金属及铜基反应混合物，并结合后续处理，实现了受损区域的填充与修复。相关结果展示了该方法在金属构件修复方面的应用潜力，为复杂金属部件的局部修复和再制造提供了新的研究方向。

图4 金属构件修复过程、修复区域形貌及力学性能测试结果。 3.总结与展望   该研究将室温金属反应、冷等静压致密化和增强相设计相结合，建立了兼顾材料成形、性能强化与损伤修复的制造思路。未来仍需进一步优化反应过程与孔隙控制，并系统评估材料在真空、高压和低温等极端环境下的性能与可靠性，为低能耗金属制造及再制造技术的发展提供支撑。   6.作者与团队简介   贺永，国家杰出青年科学基金获得者，国家本科一流课程主讲教师，互联网+大学生创新创业大赛国赛金奖指导教师，浙江省首席科学传播专家。现任浙江大学求是特聘教授，制造技术与系统工程研究所所长，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室副主任，Bio-Design Manufacturing 期刊副主编、Biofabrication期刊编委。从事增材制造及生物制造研究工作，国家重点研发计划“工程科学与综合交叉”专项首席科学家，主持杰青、基金重点、联合基金重点等基金项目，基金委创新群体项目“运动系统组织工程与再生研究”核心成员，出版生物3D打印专著2本，获国家科学技术学术著作出版基金，授权发明专利50余件，在Science Translational Medicine、Nature Protocols、Nature Reviews Bioengineering、Cell Biomaterials等期刊发表SCI论文100余篇，H因子72，论文被引1.8万余次。兼任机械工程学会生物制造分会副主任委员、生物材料学会先进制造分会副主任委员、国家医用增材制造标准委员会委员，创建EFL品牌（Engineering for Life），致力于医工交叉研究及成果转化。