普渡大學(xué)研制出強(qiáng)度比肩不銹鋼的新型鋁合金材料

 鋁合金是一種很不錯(cuò)的輕量級(jí)材料，許多軟飲料都喜歡用它制作易拉罐。不過(guò)鋁合金的缺點(diǎn)也很明顯 —— 太脆了。好消息是，普渡大學(xué)的研究人員，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種新型的鋁合金材料。通過(guò)在金屬的晶體結(jié)構(gòu)中引入“斷層”（faults），這種“缺陷”竟然可以極大地提升材料強(qiáng)度。除了讓新型鋁合金的強(qiáng)度比肩不銹鋼，這項(xiàng)特性也可用于耐腐蝕涂層。

研究員在準(zhǔn)備一份樣品，左為 Sichuang Xue，右為 Qiang Li 。

從微觀層面上來(lái)講，金屬就是一層層重復(fù)堆疊起來(lái)的晶體原子組成的。當(dāng)某一層的模式缺失時(shí)，就會(huì)遭致“堆垛層錯(cuò)”（stacking fault）。

如果有兩個(gè)斷層，則被稱作“雙邊界”（twin boundaries）或“納米孿晶”（nanotwins）。若達(dá)到了 9 層，就被稱作“9R 相”。

有趣的是，這些堆疊起來(lái)的斷層竟然能夠讓材料強(qiáng)度變得更高。有鑒于此，普渡大學(xué)的研究人員們希望同時(shí)將“納米孿晶”和“9R 相”兩種特性包含進(jìn)去。

這份鋁合金樣品將被透射式電子顯微鏡分析，以研究其結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

難度在于，金屬有一個(gè)“高堆垛層錯(cuò)能”（high stacking fault energy），即材料會(huì)傾向于“自我糾錯(cuò)”。兩項(xiàng)新研究作者 Xinghang Zhang 表示：

此前有人證實(shí)了鋁材料很難引入‘雙邊界’，而‘9R 相’的引入就更難了，因?yàn)樗?lsquo;堆錯(cuò)能’太高了。

即便如此，他們還是克服了難題，將兩項(xiàng)特性引入到新型鋁材中，在增加材料的強(qiáng)度和延展性的同時(shí)，還改善了它的熱穩(wěn)定性。

普渡大學(xué)研究人員發(fā)明的這種新型鋁合金，擁有比肩不銹鋼的強(qiáng)度特性。

為了在新型鋁材中引入“9R 相”，科學(xué)家們使用了兩項(xiàng)不同的技術(shù)。其一是“沖擊誘發(fā)”（shock-induced），即利用激光來(lái)轟擊超薄鋁片和二氧化硅粒子。

論文一作 Sichuang Xue 稱：“我們發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可誘發(fā)寬度達(dá)到數(shù)十納米的‘9R 相’形變”。第二項(xiàng)技術(shù)則是“磁控濺射”（magnetron sputtering）。

該工藝可以可將鐵原子引入鋁的晶體結(jié)構(gòu)中，從而打造出迄今為止強(qiáng)度較高的鋁合金材料。研究團(tuán)隊(duì)稱，該工藝可以拓展至工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模。

新技術(shù)有望在電子設(shè)備和車(chē)輛的耐腐蝕涂層領(lǐng)域得到應(yīng)用。Xinghang Zhang 表示：“這些結(jié)果展示了如何制造強(qiáng)度比肩不銹鋼的鋁合金材料，該發(fā)現(xiàn)對(duì)商業(yè)有著很多的潛在影響”。