孔强化材料

金海军

当材料中引入孔变成多孔材料之后,材料的强度会大幅降低。这意味着多孔材料的强度一般低于相应的实心材料的强度。然而,最近中科院沈阳金属研究所金海军研究组发现,在特殊情况下,向材料中引入孔非但不会降低材料强度反而会大大强化材料。他们报道,当Au-Pt-Ag合金中的Ag原子被腐蚀掉并形成纳米孔之后,合金的强度在材料被去掉将近一半的情况下反而提高了七倍。
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在这个研究中,纳米孔是通过脱合金腐蚀的方法引入到合金中的。脱合金腐蚀指的是合金中一个或几个活泼性组元被选择性溶解掉的一种腐蚀形式。在腐蚀条件合适的情况下,合金能够在保持尺寸不变的情况下内部形成孔棱和孔在纳米尺度互相贯通的纳米多孔结构。考虑到金属强度的尺寸效应,理论上预测纳米多孔金属具有很高的强度。但是由于腐蚀过程会导致合金开裂且形成的纳米孔棱非常容易粗化,以前并没有得到高强度纳米多孔金属。中科院金属研究所的研究者通过向Au-Ag合金中掺杂微量Pt元素成功抑制了结构粗化,并优化了腐蚀工艺,抑制了裂纹的形成。通过这种方法,他们成功制备了孔棱尺寸小于10 nm且无裂纹的块体纳米多孔Au(Pt)样品。他们发现,样品的最高强度可达到345 MPa,比未腐蚀前的Au-Pt-Ag合金强度高7倍。同时样品的相对密度降低了40%,样品的比强度提高了将近一个数量级。这证实了纳米多孔金属的高强度,同时也表明腐蚀未必会导致力学性能的降低。如他们所展示的,纳米多孔金属的高强度、高表面积将使得纳米多孔金属在很多领域展现出很好的应用前景,如驱动器、微机器人等。相关文章发表在Advanced Engineering Materials (DOI: 10.1002/adem.201500521)上。