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，材料輕量化一般通過(guò)添加更輕的合金元素如輕質(zhì)鋼中的鋁、鋁合金中的鋰來(lái)實(shí)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。然而，一般情況下，少量孔洞即可導(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)重材料缺陷而需要嚴(yán)格控制并極力消除。
近期，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(shí)，降低材料密度并大幅提升其強(qiáng)度。8月9日，相關(guān)研究成果以Strengthening Gold with Dispersed Nanovoids為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。
該團(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，形成含有大量彌散分布納米孔的新材料。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。該材料巨大比表面積促進(jìn)表面-位錯(cuò)間交互作用，進(jìn)而提高強(qiáng)度的同時(shí)也提高應(yīng)變硬化率，且后者有助于提高塑性。
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(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)化方式有助于材料輕量化和回收再利用，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，并有望在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
納米孔彌散強(qiáng)化金（NVD Au）：（a）樣品實(shí)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。
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。
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