航空發(fā)動(dòng)機(jī)的天花板,有可能要破了。10月9日,頂刊《自然》剛剛發(fā)表一篇重磅論文,揭示了一種前所未有的新型合金,它有望將航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的性能推向一個(gè)全新的高度,從而可能顯著降低油耗和碳排放。
自人類沖上云霄,我們便被一個(gè)無形的“天花板”牢牢鎖住。
這個(gè)天花板,不是飛行高度,而是溫度
在萬米高空,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片,承受著地獄般的炙烤。溫度越高,燃料燃燒越充分,效率就越高。然而,今天最頂尖的“超級(jí)合金”,也只能在1100℃左右的溫度下苦苦支撐。再高一點(diǎn),它們就會(huì)像黃油一樣“融化”。
這1100℃,就是束縛現(xiàn)代航空和能源工業(yè)的“高溫枷鎖”。為了掙脫它,科學(xué)家們想盡了辦法。
他們的目光,自然投向了元素周期表里的那些“硬漢”——耐火金屬,比如熔點(diǎn)高達(dá)2623℃的鉬(Mo)和1907℃的鉻(Cr)。它們簡(jiǎn)直是為高溫而生的天選之子。
然而,命運(yùn)給每個(gè)天才都開了一個(gè)殘酷的玩笑。
鉬,這位硬漢,有個(gè)致命的軟肋:它極度“恐氧”。一旦溫度超過500℃,它就會(huì)和氧氣發(fā)生災(zāi)難性的反應(yīng),生成一種叫三氧化鉬(
)的物質(zhì),然后……揮發(fā)了。是的,你沒看錯(cuò),整個(gè)金屬部件會(huì)像冰塊一樣“升華”成一縷青煙,這種現(xiàn)象被科學(xué)家們起了個(gè)恐怖的名字——害蟲效應(yīng)(pesting)。
鉻,另一位硬漢,看似好一些。它會(huì)形成一層致密的氧化鉻(
)保護(hù)膜,像一件防彈衣。但問題是,空氣中不僅有氧,還有大量的氮。氮?dú)鈺?huì)偷偷溜進(jìn)這件“防彈衣”的縫隙,和鉻發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致保護(hù)層剝落、失效,專業(yè)上叫“氮化”。
更要命的是,它倆都繼承了耐火金屬的家族遺傳病——室溫脆性。在常溫下,它們脆得像塊餅干,一碰就可能碎裂。
一個(gè)“見氧死”,一個(gè)“怕氮煩”,還都脆得掉渣。這簡(jiǎn)直就是材料科學(xué)界的“臥龍鳳雛”,一個(gè)能打的都沒有。難道,魚和熊掌真的不可兼得?
幾十年來,全球的科學(xué)家們都在這個(gè)死胡同里打轉(zhuǎn)。
直到,一群來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的科學(xué)家,決定不走尋常路。他們想:如果把這兩個(gè)有缺陷的天才湊在一起,會(huì)發(fā)生什么?
他們將鉻(Cr)鉬(Mo)融合,但這還不夠。真正點(diǎn)石成金的,是第三位神秘角色的加入——硅(Si)。
它不是主角,含量?jī)H僅3個(gè)原子百分比。
高手過招,點(diǎn)到為止。就是這微不足道的3%,徹底改寫了游戲規(guī)則。
當(dāng)這三種元素相遇,奇妙的化學(xué)反應(yīng)上演了。這不再是三個(gè)和尚沒水喝,而是桃園三結(jié)義,一套精妙絕倫的組合拳打了出來:
大哥(鉻)頂在最前:當(dāng)高溫和空氣來襲,鉻像往常一樣,立即形成一層致密的氧化鉻保護(hù)膜,這是第一道防線。
三弟(硅)暗中輔助:在鉻大哥的保護(hù)層之下,硅悄悄地與滲入的微量氧氣反應(yīng),形成一層更穩(wěn)定的二氧化硅內(nèi)層。這層“內(nèi)甲”極其關(guān)鍵,它像一個(gè)氧氣“過濾器”,急劇降低了內(nèi)部的氧氣濃度。
二哥(鉬)絕地反擊:由于硅三弟的保護(hù),內(nèi)部氧氣稀薄,鉬二哥那致命的害蟲效應(yīng)被徹底扼殺,無法生成揮發(fā)性的三氧化鉬。不僅如此,沒被氧化的鉬元素在保護(hù)層下方富集起來,形成一個(gè)“富鉬區(qū)”。這個(gè)區(qū)域恰好是氮元素的“禁區(qū)”,完美地解決了鉻大哥“怕氮煩”的問題。
硅,用區(qū)區(qū)3%的兵力,上演了一場(chǎng)四兩撥千斤的“無間道”,讓兩位有缺陷的英雄互相成就,最終形成了刀槍不入的“絕對(duì)防御”。實(shí)驗(yàn)證明,這種合金在800℃和1100℃的高溫空氣中,都表現(xiàn)出了杰出的抗氧化性。
然而,故事到這里,只講了一半。
別忘了那個(gè)家族遺傳病——室溫脆性。一個(gè)只能看不能用的材料,不過是實(shí)驗(yàn)室里的花瓶。
當(dāng)研究人員對(duì)這種Cr-Mo-Si合金進(jìn)行室溫壓縮測(cè)試時(shí),奇跡再次發(fā)生。它沒有像預(yù)想中那樣崩碎,反而表現(xiàn)出了良好的延展性!
這是怎么回事?深入研究后發(fā)現(xiàn),這種合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常特殊。當(dāng)受到壓力時(shí),它不僅會(huì)通過常規(guī)的“位錯(cuò)滑移”來變形,還會(huì)啟動(dòng)一種名為“孿晶”的罕見變形機(jī)制。你可以把它想象成,材料內(nèi)部的晶體在受到壓力時(shí),會(huì)像變魔術(shù)一樣復(fù)制出鏡面對(duì)稱的“雙胞胎”來分擔(dān)壓力。
這種獨(dú)特的機(jī)制,讓它不僅不脆,還具備了極高的“加工硬化”能力——越是被捶打,內(nèi)部結(jié)構(gòu)就越堅(jiān)固。
至此,拼圖的最后一塊也完成了。
這種新型Cr-Mo-Si新型“三體”合金,熔點(diǎn)高達(dá)約2000°C,遠(yuǎn)超目前的天花板1100℃。
它不僅穿上了抵御高溫腐蝕的“金鐘罩”,還練就了對(duì)抗物理沖擊的“鐵布衫”。它同時(shí)解決了高溫氧化室溫脆性這兩大困擾了耐火金屬半個(gè)世紀(jì)的世界級(jí)難題。
這意味著什么?研究人員給出了一個(gè)驚人的數(shù)字:在渦輪機(jī)中,工作溫度每提高100°C,燃料消耗就能降低約5%!
這是一個(gè)真正的里程碑。如果未來能成功應(yīng)用,將飛機(jī)和渦輪機(jī)的工作溫度再提升100-200℃,帶來的將是能源效率的巨大飛躍,以及對(duì)化石燃料依賴的顯著降低。
當(dāng)然,從實(shí)驗(yàn)室到真正的渦輪葉片,還有很長(zhǎng)的路要走。但這個(gè)發(fā)現(xiàn),無疑是為人類通往更高、更快、更高效的未來,推開了一扇全新的大門。
參考文獻(xiàn):
Hinrichs, F., Winkens, G., Kramer, L.K. et al. A ductile chromium-molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-8 24
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