金屬所金屬中納米孔彌散強(qiáng)化研究取得進(jìn)展

發(fā)展新型輕質(zhì)高強(qiáng)度材料是航空航天、汽車、消費(fèi)電子等關(guān)鍵領(lǐng)域的共同迫切需求。當(dāng)前材料輕量化一般通過添加更輕的合金元素（如輕質(zhì)鋼中的鋁、鋁合金中的鋰）來實現(xiàn)。與之相比，引入孔洞是更為直觀有效，且更具普適性的材料減重途徑。但一般情況下，少量孔洞的存在即可導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、塑韌性、疲勞性能等力學(xué)性能急劇降低。因此，在鑄造、粉末冶金、3D打印等材料制備加工過程中，孔洞一般被視為嚴(yán)重材料缺陷而需嚴(yán)格控制并極力消除。

近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心金海軍研究員團(tuán)隊提出，如果細(xì)化至百納米以下并彌散分布于材料中，孔洞將從有害材料缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴摹皬?qiáng)化相”。該團(tuán)隊以金為模型材料研究發(fā)現(xiàn)，添加彌散納米孔可在不損失、甚至提高塑性的同時，降低材料密度并大幅提升其強(qiáng)度。相關(guān)研究結(jié)果于8月9日以“Strengthening Gold with Dispersed Nanovoids”為題發(fā)表于Science期刊。

該團(tuán)隊通過脫合金腐蝕法制備出結(jié)構(gòu)均勻的納米多孔金，將其適當(dāng)壓縮并加熱退火，形成一種含有大量彌散分布納米孔的新材料（圖1）。微拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，添加體積分?jǐn)?shù)高達(dá)5%~10%的納米孔后，材料屈服強(qiáng)度提升50%~100%，且保持良好的塑性。部分樣品塑性甚至優(yōu)于同等晶粒尺寸的完全致密材料（圖2）。彌散分布納米孔有助于減輕孔洞周圍應(yīng)力和應(yīng)變集中，抑制裂紋的萌生。該材料巨大比表面積也促進(jìn)表面-位錯間交互作用，進(jìn)而提高強(qiáng)度的同時也提高應(yīng)變硬化率，后者有助于提高塑性。該研究表明，特征尺寸低于百納米的孔洞具有類似于納米顆?；蚣{米析出相的強(qiáng)化效應(yīng)，是一種“零質(zhì)量、零污染”的新型納米強(qiáng)化相。這一強(qiáng)化方式不僅有助于材料輕量化和回收再利用，且可更大限度保留本體材料導(dǎo)熱導(dǎo)電等優(yōu)異物理性能，有可能在多個領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

論文第一作者為金屬所博士研究生陳家驥，通訊作者為金海軍研究員。金屬所解輝副研究員、劉凌志副研究員、鄒麗杰助理研究員，遼寧材料實驗室關(guān)懷博士，南京理工大學(xué)尤澤升副教授參與研究。該工作受國家自然科學(xué)基金項目資助。

論文鏈接

圖1. 納米孔彌散強(qiáng)化金（NVD Au）：(a）樣品實物圖；（b）典型掃描電鏡照片；（c）透射電鏡照片；（d）三維重構(gòu)圖顯示納米孔的空間分布。

圖2. 納米孔彌散強(qiáng)化金（NVD Au）的力學(xué)行為：(a) 不同孔徑NVD Au以及全致密參比樣品的拉伸曲線；（b）兩種樣品均勻延伸率隨屈服強(qiáng)度的變化；（c)屈服強(qiáng)度和（d）均勻延伸率隨孔徑的變化規(guī)律。AMM: 增材制造金屬材料。屈服強(qiáng)度和均勻延伸率均以相應(yīng)全致密態(tài)樣品數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行了歸一化。