利用納米孔強化金屬強度獲得大幅提升

從中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心獲悉，該中心金海軍研究員團隊提出，如果細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變為有益的“強化相”。該團隊以金為模型材料，在研究中發現，添加彌散納米孔在不損失甚至提高塑性的同時，可有效降低材料密度并大幅提升其強度。相關研究結果8月9日發表在《科學》期刊上。

發展新型輕質高強度材料，是航空航天、汽車、消費電子等領域的迫切需求。當前，材料輕量化一般通過添加更輕的合金元素，如輕質鋼中的鋁，以及鋁合金中的鋰來實現。與之相比，引入孔洞則是更為直觀有效，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致材料的強度、塑韌性、疲勞性能等力學性能急劇降低。因此，在鑄造、粉末冶金、3D打印等材料制備加工過程中，孔洞一般被視為嚴重材料缺陷，需嚴格控制并極力消除。

研究團隊通過脫合金腐蝕法制備出結構均勻的納米多孔金，將其適當壓縮并加熱退火，形成一種含有大量彌散分布納米孔的新材料。微拉伸實驗發現，添加體積分數高達5至10%的納米孔后，材料屈服強度提升50至100%，且保持良好的塑性。部分樣品塑性甚至優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力和應變集中，抑制裂紋的萌生。該材料巨大的比表面積也促進表面-位錯間交互作用，進而提高強度的同時也提高了應變硬化率，后者還有助于提高塑性。

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粒或納米析出相的強化效應，是一種“零質量、零污染”的新型納米強化相。這一強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熱導電等優異物理性能，有可能在多個領域獲得應用。