當“安靜”的鋁制品遇見“淘氣”的氫原子，為何“肌膚”表面就會冒出“痘痘”？

       這一謎團已存在超過50年。

       西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室微納尺度材料行為研究中心的科研人員破解了這一難題。此項成果6月29日在線發表在世界著名期刊《自然-材料》上。

       人們知道，生活中常見的鋁制品通常穩定耐用，因為它的表面會自然形成一層致密而堅硬的氧化鋁保護膜，俗稱“剛玉”。但在含氫環境中，鋁制品常常會在表面鼓出氣泡，最終導致氧化膜保護層脫落，乃至材料失效。這一現象，被稱為“氫鼓泡”。

      西安交大科研人員發現，原來，對于“纖瘦”的氫原子而言，剛玉中的原子間隙如此之大，以至于它們可以在其中來去自如。氫原子的隨性“游走”會破壞金屬鋁和剛玉之間“手拉手”的緊密聯系，從而使一部分鋁原子“重獲自由”。這些鋁原子也會在氧化物和金屬鋁的界面上自由運動，并在金屬鋁的一側形成很多微小的坑。隨著坑的不斷長大，氫原子擁有足夠的空間重新結合形成氫分子并對氧化膜產生壓力。當坑的直徑大到某一臨界尺寸時，氧化膜就會被撐得發生塑性變形，并向外鼓出形成氣泡。而氣泡密度足夠大時，氧化膜保護層便會脫落，最終導致材料失效。

      這種氫致界面失效是在石化、海洋、核、航空航天及半導體等工業里常見的金屬材料失效原因之一。盡管此前不同國度的研究人員進行了大量的研究，但對其原子尺度的機理一直不甚明了。傳統的表面鼓泡理論只能解釋氣泡的生長，對于氣泡的形核則缺乏理論及實驗證據。西安交大微納中心的這一研究發現填補了氫致界面失效現象起源的實驗和理論空白，有助于人們找到防止氫致界面失效的方法，提高材料在含氫環境中的服役壽命。

       “舉一個激動人心的例子：太陽帆，”微納中心博士生解德剛介紹說，宇宙中氫的質量分數在70%以上，人類造的任何飛行器在太空航行時都必須考慮氫對材料性能的影響。太陽帆的原理就是利用大面積鏡面般光滑的薄膜反射太陽光以獲得動力航行。目前最有可能的薄膜材料就是鋁箔，科學家已經意識到太空環境中鋁箔表面易發生鼓泡的現象，而太陽帆表面一旦發生鼓泡，其反射能力就會大打折扣，影響飛行器的動力性能。“希望我們的發現對于太陽帆的防氫設計有著積極的指導意義”，解德剛對此十分期待。

      “這項發現對很多與氫有關的未解之謎都有著重要的啟示，”微納中心主任單智偉教授告訴記者，“比如半導體芯片中的導線基底界面劣化、電廠的汽輪機葉片的氧化皮脫落、核電站中有大量的質子輻射環境以及高溫水汽環境等等。”

       此項研究中，微納中心的科研人員一改以往楔形的樣品設計，采用微納尺度的金屬鋁圓柱體，通過環境透射電子顯微鏡觀察氫氣氛圍下金屬和氧化界面的動態演化過程，以令人信服的證據無可爭辯地證明了氫致表面氧化物鼓泡的晶向依賴性。

       據了解，絕大多數金屬制品在實際使用時表面都會有一層保護膜，有的是自然形成，有的是人為添加。這層保護膜通常起著防氧化、防腐蝕、耐磨損等作用。一旦被破壞，材料的氧化、腐蝕、磨損就會加速，發生到一定程度就會使材料徹底失效。單智偉教授指出，降低表面防護層的粗糙度，選擇合適的金屬基底取向，對界面進行有目的改性等可有效減緩甚至防止氫致界面失效的發生。接下來，研究小組將繼續聚焦氫致材料失效機理研究，致力于進一步推動人們對氫影響的認知，以減少和避免由氫脆等材料失效所造成的巨額經濟損失和重大安全事故。


 

責任編輯：王元

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