納米孔可提升金屬?gòu)?qiáng)度

記者從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心獲悉，該中心研究員金海軍團(tuán)隊(duì)提出，如果細(xì)化至百納米以下并彌散分布于材料中，孔洞將從有害的材料缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴摹皬?qiáng)化相”。該團(tuán)隊(duì)以金為模型材料，在研究中發(fā)現(xiàn)，添加彌散納米孔，可在不損失甚至提高塑性的同時(shí)，有效降低材料密度并大幅提升其強(qiáng)度。相關(guān)研究論文近日發(fā)表于國(guó)際期刊《科學(xué)》。

發(fā)展新型輕質(zhì)高強(qiáng)度材料是航空航天、汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的迫切需求。當(dāng)前，一般通過(guò)添加更輕的合金元素實(shí)現(xiàn)材料輕量化。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。但通常情況下，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(guò)程中，孔洞一般被視為嚴(yán)重的材料缺陷，需嚴(yán)格控制并極力消除。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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，可形成一種含有大量彌散分布納米孔的新材料。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)微拉伸實(shí)驗(yàn)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%，且可保持良好的塑性。部分樣品塑性甚至優(yōu)于同等晶粒尺寸的完全致密材料。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。該材料巨大的比表面積也促進(jìn)了表面—位錯(cuò)間交互作用，在提高強(qiáng)度的同時(shí)提高了應(yīng)變硬化率，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)。這一強(qiáng)化方式不僅有助于材料輕量化和回收再利用，而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，有望在多個(gè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

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