發(fā)展新型輕質(zhì)高強度材料是航空航天、汽車、消費電子等關(guān)鍵領(lǐng)域的共同迫切需求。當前材料輕量化一般通過添加更輕的合金元素（如輕質(zhì)鋼中的鋁、鋁合金中的鋰）來實現(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。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而需嚴格控制并極力消除。
近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究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(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴摹皬娀唷?。該團隊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，降低材料密度并大幅提升其強度。相關(guān)研究結(jié)果于8月9日以“Strengthening Gold with Dispersed Nanovoids”為題發(fā)表于Science期刊。
該團隊通過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（圖1）。微拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，添加體積分數(shù)高達5%~10%的納米孔后，材料屈服強度提升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（圖2）。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也促進表面-位錯間交互作用，進而提高強度的同時也提高應(yīng)變硬化率，后者有助于提高塑性。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(yīng)，是一種“零質(zhì)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，且可更大限度保留本體材料導熱導電等優(yōu)異物理性能，有可能在多個領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
論文第一作者為金屬所博士研究生陳家驥，通訊作者為金海軍研究員。金屬所解輝副研究員、劉凌志副研究員、鄒麗杰助理研究員，遼寧材料實驗室關(guān)懷博士，南京理工大學尤澤升副教授參與研究。該工作受國家自然科學基金項目資助。
圖1. 納米孔彌散強化金（NVD Au）：(a）樣品實物圖；（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。
圖2. 納米孔彌散強化金（NVD Au）的力學行為：(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度的變化；（c)屈服強度和（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)為基準進行了歸一化。
