西工大黄河源团队：基于新型Al-Si合金的极小曲面防热-承载一体化功能结构应用探索

原创 Cell Press

物质科学

Physical science

2025年8月12日，西北工业大学黄河源研究团队在高性能铝合金及其功能化结构应用领域取得重要进展。相关研究以“Heat resistant ultra-strong Al-Si alloy and its application in additive manufacturing”为题，发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上。该研究基于一种Al-Si-Fe-Mn-Ni合金体系，成功构建出兼具超高强度与热稳定性的极小曲面功能化结构，展现出在航空航天极端服役环境下的广阔应用前景。该论文第一作者为西北工业大学民航学院2023级博士研究生董志城，通讯作者为西北工业大学航空学院黄河源副研究员。

在高超声速飞行器及航空发动机等领域，结构正面临长时间高温负载与复杂载荷循环的极端工况挑战。以铝合金为代表的轻质材料因其低密度与良好可加工性，在航空航天结构中扮演关键角色，但其在高温服役条件下易出现强度衰减等问题，严重制约其在极端服役环境下的应用前景。因此，亟需一种同时具备轻量化、高强度与高热稳定性的功能化结构，以支撑极端环境下的复杂结构服役需求。

图1. Al-Si-Fe-Mn-Ni合金设计思路

为了应对这一挑战，团队提出了一种“材料-结构”功能一体化设计思路。首先，开发了一种Al-Si-Fe-Mn-Ni五元合金体系，该体系利用Fe和Ni形成热稳定金属间化合物，并诱导析出细小均匀的Al₆Mn强化相，实现多尺度析出相协同增强。多尺度表征证实该合金体系在组织均匀性、孔隙率控制及相稳定性等方面表现优异，为实现高温服役稳定性奠定基础。力学试验结果表明，该合金在25°C下表现出极高的拉伸强度（556 MPa），而在200°C高温环境下依然保持372 MPa的抗拉强度，优于目前大多数商用Al-Si合金。

图2. Al-Si-Fe-Mn-Ni合金微观表征

在此基础上，团队基于该合金材料探索了Gyroid型极小曲面结构的热力耦合性能，在25°C与200°C分别开展了压缩力学性能测试。结果显示，基于新型合金的结构强度相比AlSi10Mg打印结构提升显著，压缩强度分别提高144%和157%，表现出显著优势。为进一步揭示其热力耦合机制，团队结合有限元仿真构建了TPMS结构的热力变形行为模型，验证了合金在极端工况下的可靠性与结构响应机制。结构内部呈现出层间交替塌缩与多向均匀应力分布，Von Mises应力集中程度低，进一步降低了局部失效风险。

总体而言，本研究建立了一套“合金体系-结构调控-性能提升”的协同技术路径，提出了一种面向极端服役环境的高强耐热合金结构一体化解决方案。基于该材料体系构建的力学超结构，在功能集成与极端环境适应性之间实现了良好平衡，为未来复杂热端承载部件及功能梯度结构的工程化设计提供了坚实支撑。

图3. 基于合金的极小曲面结构力学性能与失效规律

研究得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、西北工业大学博士论文创新基金等项目的支持。

作者介绍

董志城

博士研究生

董志城，本文第一作者，博士研究生。2023年毕业于西北工业大学航空学院并获得学士学位，同年进入西北工业大学民航学院攻读博士学位。主要从事力学超材料优化设计和铝合金复合材料相关研究。以第一作者身份在Composites Science and Technology, Nano Research, Materials Today Bio, Materials Horizon等期刊发表论文6篇。获陕西省第九届研究生创新成果展高质量成果A档，陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖等奖项。

黄河源

副研究员

黄河源，本文通讯作者，西北工业大学，副研究员，博士生导师。2018年加入西北工业大学航空学院。陕西省“轻质多功能超材料设计”科技创新团队学术带头人，西北工业大学翱翔新星。担任Organ Medicine（清华大学主办）创刊编委。获陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖，航空学会自然科学二等奖，陕西省科技进步奖二等奖，中国复合材料学会优秀科技成果二等奖，国家教学成果一等奖等多项科研与教学奖励。

主要研究方向为：极端环境下功能结构设计与力学性能分析、多功能轻质超材料设计与性能研究。以第一作者及通讯作者身份在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Sci.、Compos. Sci. Technol.、Nano. Res.、Chem. Eng. J.、Compos. Struct.等期刊发表论文30余篇，5篇论文入选ESI高被引论文。以第一完成人申请专利17项、软件著作权4项。

相关论文信息

原文刊载于Cell Press细胞出版社

旗下期刊Cell Reports Physical Science

▌论文标题：

Heat resistant ultra-strong Al-Si alloy and its application in additive manufacturing

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266638642500373X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102774

原标题：《西工大黄河源团队CRPS：基于新型Al-Si合金的极小曲面防热-承载一体化功能结构应用探索 | Cell Press论文速递》

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