科学家用纳米孔强化金属 强度获得大幅提升

发展新型轻质高强度材料是航空航天、汽车、消费电子等关键领域的迫切需求。当前，材料轻量化一般通过添加更轻的合金元素（如轻质钢中的铝，以及铝合金中的锂）来实现。与之相比，引入孔洞是更为直观有效，且更具普适性的材料减重途径。但一般情况下，少量孔洞的存在可能导致材料的强度、塑韧性、疲劳性能等力学性能急剧降低。因此，在铸造、粉末冶金、3D打印等材料制备加工过程中，孔洞一般被视为严重材料缺陷，需要严格控制并极力消除。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心金海军研究员团队提出，如果细化至百纳米以下并弥散分布于材料中，孔洞将从有害材料缺陷转变为有益的“强化相”。该团队以金为模型材料研究发现，添加弥散纳米孔可在不损失、甚至提高塑性的同时，降低材料密度并大幅提升其强度。相关研究结果于8月9日发表于Science期刊。

据介绍，该团队通过脱合金腐蚀法制备出结构均匀的纳米多孔金，将其适当压缩并加热退火，形成一种含有大量弥散分布纳米孔的新材料。微拉伸实验发现，添加体积分数高达5~10%的纳米孔后，材料屈服强度提升50~100%，且保持良好的塑性。部分样品塑性甚至优于同等晶粒尺寸的完全致密材料。弥散分布纳米孔有助于减轻孔洞周围应力和应变集中，抑制裂纹的萌生。该材料巨大比表面积也促进表面-位错间交互作用，进而提高强度的同时也提高应变硬化率，后者有助于提高塑性。该研究表明，特征尺寸低于百纳米的孔洞具有类似于纳米颗粒或纳米析出相的强化效应，是一种“零质量、零污染”的新型纳米强化相。这一强化方式不仅有助于材料轻量化和回收再利用，且可更大限度保留本体材料导热导电等优异物理性能，有可能在多个领域获得应用。