【复材信息】中国科学院金属研究所，Science

2024-08-12

航天工程、汽车、消费电子等关键领域的共同迫切需要开发新型轻质高强度材料。目前材料的轻量化通常是通过添加较轻的合金成分(例如轻钢中的铝，铝合金中的锂)来实现的。相比之下，引入孔洞是一种更加直观有效、更加普遍的材料减肥方法。但是一般来说，少量孔洞的出现会导致材料的力学性能急剧下降，如强度、塑韧性、疲劳性等。所以，在制备和加工锻造、粉末冶金、3D打印等材料时，孔洞一般被认为是严重的材料缺陷，需要严格控制和大力清除。

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人员团队提出，如果细化到100纳米以下，并在材料上弥漫分布，孔洞将在有害材料缺陷中转化为有益的“强化相”。该团队以黄金为模型材料的研究表明，在不损失甚至提高塑性的情况下，增加弥漫纳米孔可以降低材料密度，大大提高其强度。八月九日有关研究结果“Strengthening Gold with Dispersed Nanovoids"Science期刊上出现了问题。

该团队通过脱合金腐蚀制备了结构均匀的纳米多孔金，适度压缩并加热退火，形成了一种新材料(图1)，含有大量的弥漫式纳米孔。微拉伸试验发现，在增加了5~10%的纳米孔之后，材料的屈服强度增加了50~100%，并且保持了良好的塑性。一些样品的塑性甚至比同等晶粒尺寸的完全致密材料还要好(图2)。扩散式纳米孔有助于减少孔周围的应力和应变集中，抑制裂纹的发生。这种材料比表面大，还能促进表面-位错间的交互，从而提高应变硬化率，从而提高应变硬化率，从而提高塑性。研究发现，特征尺寸小于100纳米的孔具有类似纳米颗粒或纳米析出相的强化作用，是一种新型的“零质量、零污染”纳米强化相。这种强化方法不仅有助于材料的轻量化和回收利用，而且可以更大程度地保持材料导热导电等优异的物理性能，可以应用于许多领域。

论文第一作者是金属研究所博士生陈家邈，通讯作者是金海军研究员。南京理工大学副教授尤泽升参加了金属研究所解辉副研究员、刘凌志副研究员、邹丽杰助理研究员、辽宁材料实验室关怀博士研究。这项工作得到了国家自然科学基金项目的支持。