天津大學，Nature Materials！
2024-04-29 17:22:22
作者：材料PLUS 來源：材料PLUS
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氧化分散強化（ODS）合金是一種高強度材料，具有優異的耐高溫和耐輻照性能，在極端環境（如高溫和耐輻射應用）中展現出了巨大的潛力。從經典力學的角度來看，要在ODS系統中實現高水平的力學性能，關鍵在于將氧化物顆粒尺寸控制在10nm以下。此外，當在惡劣的高溫環境中使用時，氧化物顆粒和基體之間的限定失配對提高界面和微觀結構的穩定性至關重要。然而，氧在金屬中的溶解度較低而擴散率較高，使得通過傳統的溶液沉淀法，難以將穩定的沉淀氧化物團簇或顆粒控制在10nm以下。此外，氧化物與金屬間固有的物理和化學性質差異巨大，實現其良好相干性面臨巨大挑戰。目前，氧化物主要通過原位反應或外部混合方式引入合金中。盡管利用納米氧化物前體在液體系統中的良好遷移率和低表面能，通過化學處理方法，已成功開發了許多用于可還原金屬如Fe、Mo、Ni和W的ODS合金。但是，由于傳統技術難以將氧化物顆粒均勻分散在不可還原金屬（如Al、Mg、Ti、Zr等）中，目前市場上仍缺乏針對這些金屬的ODS合金。近日，天津大學何春年教授和張翔副研究員提出了一種實現ODS鋁合金的策略，通過粉末冶金，利用具有原位生長的類石墨烯涂層的納米顆粒，成功地將高分散的5nm MgO納米顆粒引入合金中，從而顯著降低了表面能。值得注意的是，與Al基體具有完全相干關系的密集分散的MgO納米粒子顯示出對界面空位擴散的有效抑制，從而實現了前所未有的強度（~200MPa）和在高達500°C下的蠕變阻力。本研究的加工方法應該能夠將超細納米顆粒分散在廣泛的合金中，用于高溫相關應用。相關研究工作以“Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys”為題發表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。
研究者提出了一種“界面置換”策略，以實現金屬氧化物納米顆粒的致密均勻分散，從而獲得具有優異機械性能的ODS 鋁合金。該策略核心在于用原位生長在MgO NPs表面上的幾層類石墨烯（GL）涂層之間的弱連接范德華力取代強結合的MgO–MgO顆粒界面。在固態PM工藝過程中，增強顆粒的表面改性導致分散狀態發生實質性變化，從不受控制的團簇轉變為Al基體中完全分散的單個NPs，含量高達8.0 vol%（簡稱MgO@GL/Al）。這種密集分布的MgO NPs與Al形成了完全相干的界面，從而為金屬中的原子擴散提供了強大的屏障。因此，所制備MgO@GL/Al顯示出超高的極限抗拉強度（UTS），在300°C時UTS高達~420MPa，在400°C時達到~310MPa，在500°C時仍有~200MPa，且在300-500°C范圍內展現出出色的抗蠕變性能。
總的來說，這項研究提出了一種高效且通用的方法，以解決合金中長期困擾的氧化物納米顆粒分散問題，尤其對于不可還原的金屬基體而言。通過采用界面置換策略，成功實現了相干MgO納米顆粒的致密均勻分布，從而顯著提升了ODS鋁合金的蠕變抗性和高溫機械性能（高達500°C），超越了以前的鋁合金和復合材料。研究者特別強調了同時控制ODS系統中的分布、粒度和界面關系的關鍵作用，這一戰略為開發先進結構與功能材料奠定了堅實基礎。https://www.nature.com/articles/s41563-024-01884-2
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