Science：什么？有孔的金属更坚韧？- 大数跨境

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2024-08-19

导读：中国科学院金属研究所金海军课题组在Science 杂志上发表论文，提出纳米级孔洞尺寸细化至百纳米以下且均匀分散于金中，可以增强材料的拉伸强度，同时提高其延展性。

微孔普遍存在于金属材料中，而这些孔洞通常被认为对材料性质不利，甚至是灾难性的。即使是少量的孔洞也会显著削弱材料的机械强度、延展性和疲劳寿命。微孔周围最容易发生应力集中，引发材料疲劳失效并引发重大灾难。在制造过程中，通常会采取措施来消除这些缺陷，以提升金属材料的力学性能和使用寿命。

美国阿罗哈航空243号班机事故，裂缝氧化导致金属疲劳。图片来源于网络 ^[1]

然而，近日中国科学院金属研究所金海军课题组在Science 杂志上发表论文，提出孔洞的存在并不总是对金属材料有害，相反，如果在黄金中“适当”地添加纳米级孔洞——尺寸细化至百纳米以下且均匀分散于材料中，可以增强材料的拉伸强度，同时提高其延展性。引入孔洞还降低了材料的密度，更加符合工业领域对金属材料轻质化的要求。这种“反直觉”的优异性能归因于该结构中位错与表面相互作用的增强以及裂纹形核的抑制。研究成果被央视新闻等多家媒体报道。

CCTV对金海军研究员的采访（部分）。图片来源：央视新闻

此前有学者提出，只要金属材料中的孔洞足够小，其表面可以与位错产生弹性相互作用，从而克服缺陷引起的材料脆化等负面效应。然而，均匀分布的纳米孔的合成一直是一个重大挑战。金海军课题组通过化学腐蚀和电化学方法，选择性溶解了Ag₇₅Au₂₅合金中的银元素，随后经过压缩和热退火处理，制备出具有均匀纳米孔结构的纯金样品。当压缩和退火处理后，样品相对密度低于临界值（φ = 0.82~0.84）时，孔隙结构相互连通；而当φ超过这一临界值时，通道由于Plateau-Rayleigh不稳定性而缩窄，转变为独立的纳米孔。电子显微镜图像显示，大多数纳米孔呈球形，直径从几纳米到50纳米不等，平均尺寸（D）为18 nm。此外，样品中的位错非常少，平均晶粒尺寸约为10微米，比纳米孔大三个数量级。

均匀分散纳米孔的金样品合成与微观结构，来源：Science

随着平均孔洞尺寸的减小，这些纳米孔金样品的拉伸应力-应变性能显著增强，其中孔径约为18纳米的样品屈服强度约为176 MPa，是纯黄金（85 MPa）的两倍多。不仅如此，纳米孔金还表现出比纯黄金更高的延展性和韧性。不过，这种机械性能的提升仅发生在孔洞尺寸小于临界值的样品中，该临界尺寸介于几百纳米到几微米之间，也说明孔洞尺寸对机械性能起着决定性的改变。

纳米孔金的拉伸行为，来源：Science

位错穿过孔洞在能量上是有利的，因为孔洞内的线张力为零。TEM图像也显示，纳米孔洞周围通常会出现多个位错，并且发生弯曲。尽管孔洞表面与位错的相互作用相对复杂，但这确实能够阻碍位错运动，从而提高机械性能。

表面-位错相互作用，来源：Science

在纳米孔存在下，样品的延展性随着孔径D的增大而提升，这与传统观点相反。孔洞与位错的相互作用可能阻碍了位错壁的形成，因此在高应变下维持了较高的加工硬化速率，从而改善了强度与延展性。因此，单个纳米孔洞不一定会在其应力集中区域内引发位错成核或局部变形；相反，它们与经过的位错相互作用，帮助增强材料的强度和韧性。当然，孔洞的影响从有害到有益的转变，发生在临界孔径以下。

纳米孔金的应变硬化速率，来源：Science

小结

通过将尺寸在百纳米以下的纳米孔洞均匀分散于块体金中，金海军课题组在不改变材料的成分或相的前提下，实现了材料强度和延展性的提升以及密度的降低，同时保持了材料导热性、电导性和耐腐蚀性等性质。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 ^[2]。这种环保且具成本效益的策略，有希望在航空航天、汽车、消费电子等领域得到广泛应用。

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