铝基复合材料因其高比强度、高比模量、高导热、低膨胀等特性，已成为航空航天领域的关键结构材料。以中国科学院金属研究所开发的SiC/Al材料为例，该材料应用于祝融号火星车的结构、机构与仪器部件，嫦娥五/六号月球探测器的钻取采样机构，“天宫”空间站的天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱柔性太阳翼展开机构和实验柜转接件，以及气象卫星/高分辨卫星/激光通信卫星等若干光机关键结构，支撑我国深空探测、载人航天、高分辨对地观测等多个国家航天重大工程领域的发展。

然而，受限于高温下易发生的界面退化与基体软化现象，SiC/Al材料的工作温度通常被限制在150°C以内，这严重制约了其在高温环境中的应用。为提升材料的热稳定性，具有优异冶金结合与高温界面稳定性的原位铝基复合材料成为当前研究焦点。尽管这类材料在热稳定性方面表现突出，但仍难以在保持高强度的同时实现高模量，性能协同提升依然面临挑战。这一局限源于传统反应体系固有的热力学与动力学限制：微米前驱体受限于比表面积，反应位点少、元素扩散距离受限，易导致反应不完全并形成粗大的团聚体，从而制约强度提升；纳米前驱体虽然可以凭借高比表面积反应生成纳米级产物，但受团聚效应和加工难度限制，且复合材料中的强化相体积分数偏低，制约模量提升。

近期，中国科学院金属研究所研究者提出利用高能球磨促进的Ti₂AlC（MAX相）和Al的原位反应，开发出了具有优异高温强度和模量的铝基复合材料。相关论文以题为“Hierarchical reinforcement strategy enables aluminum matrix composites with uncompromised high-temperature mechanical properties”发表在Nature Communications。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-73160-7

该Al₃Ti/Al复合材料以Ti₂AlC颗粒和Al粉为原料，采用高能球磨+粉末冶金的工艺进行制备。该复合材料具有多级结构，其微观组织包括（1）均匀分散于超细晶Al基体中的亚微米Al₃Ti颗粒（0.42 μm，38.6 vol.%）；（2）均匀分散于Al₃Ti颗粒内的含碳纳米相（2-100 nm）。

图1复合材料的制备工艺及微观组织

Ti₂AlC的纳米层状结构使其在沿片层方向具有大量元素快速扩散通道，然而，在垂直片层的方向上的高扩散激活能抑制了元素的体扩散。在高能球磨作用下，Ti₂AlC颗粒发生机械破碎产生微观缺陷，形成元素扩散的双路径（垂直片层和沿片层扩散通道）。垂直片层的裂纹为原子向Ti₂AlC内部扩散提供了直达路径，同时在裂纹扩展路径中暴露出大量沿片层扩散通道。这种扩散路径使缺陷态Ti₂AlC能够有效绕过体扩散的高扩散激活能垒的限制，从而促进Ti₂AlC的“内分解”机制。

图2缺陷态Ti₂AlC颗粒中的元素扩散路径

Ti₂AlC的“内分解”机制驱动了Al₃Ti的快速形核，并以Ti₂AlC + 5Al == 2Al₃Ti + C_i的机制发生反应，形成独特的复合Al₃Ti颗粒。反应过程中，C被大部分限制于Al₃Ti内，形成含纳米含碳团簇和棒状相。

图3复合Al₃Ti颗粒的微观组织

这一新型Al₃Ti/Al复合材料具有优异的高温强度和模量，350°C时，复合材料的抗拉强度达246 MPa，杨氏模量达106 GPa，其比模量比TC4钛合金、QZr0.2铜合金、45钢、GH93镍基合金分别高出88%、190%、55%和42%。

图4复合材料的高温机械性能

该Al₃Ti/Al复合材料优异的高温机械性能来自多尺度强化机制，即含碳纳米相强化Al₃Ti，Al₃Ti强化Al。含碳纳米相通过钉扎位错，提高了Al₃Ti的位错储存能力；Al₃Ti颗粒在350°C时和Al仍保持冶金结合，抑制了基体软化。理论计算揭示了三种主要的强化机制（位错强化、细晶强化和载荷传递），这些强化机制在室温及350°C时的贡献基本相当。

图5拉伸变形后复合材料的微观组织

该研究核心创新在于缺陷促进的Ti₂AlC“内分解”机制，通过双路径元素扩散克服了表面扩散主导的反应动力学限制。该策略解决了强化相尺寸和体积分数之间的内在矛盾，这种方法的可扩展性通过百公斤级的生产实验进行了验证。

该研究工作的第一作者为胡红洁、时誉航（共同一作），通讯作者为中国科学院金属研究所肖伯律研究员、昝宇宁研究员，中南大学宋淼教授。

金属所金属基复合材料研究团队创始人为国家杰青马宗义研究员，是国内最早开展金属基复合材料研究的科研团队之一，为中国科学院科苑名匠团队，研究方向贯穿粉冶/铸造、挤/锻/轧、焊接及增材制造全链条工艺。团队现有国家杰青、国家领军等国家级高层次人才4人，省部级人才14人。团队承担863、973、国家重点研发计划、国家自然科学重点基金、中科院前沿科学重点研究以及国防军工、企业合作等各类项目，近年来牵头国家重点研发计划4项、主持NSFC重点10余项，作为挂靠单位牵头组建3个国家一级学会的专委会，相关成果在空天、核电、交通等关键领域实现多项突破性应用，近年来为嫦娥、天问、空间站、北斗、东风、风云、高分、星网等数十个国家重大型号提供配套零件万余件、材料数百吨，实现多项“首台首套”关键突破，成果转化成立国家级专精特新“小巨人”公司。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Acta Mater.等国际著名期刊上发表SCI收录论文500余篇。

研究团队积极推进人才队伍培养，梯队建设稳步发展，从人才、技术、设备保障、检测标准等方面打造领域内国际一流的研发基地。长期招聘高性能铝合金/铝基复合材料领域人才（高层次人才/博士后/博士生等），有意者可邮件联系（ynzan15b@imr.ac.cn，昝宇宁）。