Purdue大學博士后研究助理Sichuang Xue（左側）和博士生Qiang Li正在研制超高強鋁合金樣品。圖片來源：Purdue大學供圖/ Marshall Farthing

    研究人員已經能夠制造出與不銹鋼強度相匹敵的超高強度鋁合金，這是一項具有潛在工業應用前景的技術。

    “大多數輕量化鋁合金材質較軟，固有的機械強度較低，這阻礙了它在工業中的廣泛應用。” Purdue大學材料工程學院教授Xinghang Zhang說：“新型輕質高強鋁合金與不銹鋼相比，將有效的推動汽車和航空航天工業發生革命性的變化。”

    以Purdue大學博士后研究員Sichuang Xue和博士生Qiang Li為首的研究團隊在兩篇新的研究論文中詳細說明了他們的研究成果，表示改變鋁的微觀結構，將賦予其更大的強度和更高的延展性。

    最近的一篇論文發表在1月22日的《先進材料》雜志上。十一月早些時候的論文發表在《自然通訊》雜志上。

    新型高強度鋁合金的產生是通過引入“堆垛層錯”或晶體結構中的扭曲產生的。雖然這些金屬在銅和銀等金屬中很容易產生，但其“堆垛層錯能”很難在鋁中引入。

    金屬的晶格是由一系列重復的原子層組成的。如果缺少一層，就稱為堆垛層錯。同時，所謂的“孿晶界”由兩層堆垛層錯組成。張說， 一種被稱為9R堆垛層錯是特別有前途的。

    “研究表明，孿晶界難以引入鋁金屬。鋁中9R相的形成更是由于其高的堆垛層錯能量而難以形成。”張說：“所以研究人員想同時引入納米孿晶和9R相納米晶鋁增加強度和韌性，提高熱穩定性。”

    現在，研究人員已經掌握了同時在鋁中引入9R相和納米孿晶的方法。

    “這些結果說明了制造出的鋁合金可與不銹鋼相媲美，甚至比不銹鋼更堅固。”他說：“在這一發現中有許多潛在的商業影響。”

    Nature雜志報道了鋁中“休克”的9R相，Xue是文章的第一作者。研究人員通過用二氧化硅微丸轟擊超薄鋁膜從而屈服9R相。

    “在這里，通過使用激光撞擊測試技術，我們發現可在幾十納米的寬度形變誘導9R。”Xue說。

    微晶測試是由Nature雜志中的共同作者，Rice大學的Edwin L. Thomas教授領導的研究小組進行的。激光束使粒子以每秒600米的速度噴射出去。該程序極大地加速了抗沖擊應用的各種合金篩選試驗。

準備利用透射電子顯微鏡分析的樣品。圖片來源：Purdue大學影像/ Marshall Farthing

    “我想在短時間內篩選很多材料。”張說：“這種方法允許我們以比其他可能低得多的代價做到這一點。”

    Li是先進材料研究論文的主要作者，文中描述了利用磁控濺射的方法將鐵原子引入鋁的晶體結構中誘導9R，而不是通過 “休克”的方式。鐵也可以用其他技術，如鑄造技術引入鋁，新發現可能會擴大到工業應用中。

    相對比高強度鋼來說，由此產生的“納米孿晶”鋁鐵合金涂層有望成為有史以來最強大的鋁合金。

    “內布拉斯加大學林肯分校王健教授的小組進行的分子動力學模擬顯示了9R相和納米顆粒在高強度作用下的結果，其加工硬化能力，揭示了鋁9R相的形成機制。”張說：“了解新的變形機制將有助于我們設計新的高強度、延展性的金屬材料，如鋁合金。”

    一個潛在的應用可能是設計用于電子和汽車工業的耐磨耐蝕鋁合金涂層。

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責任編輯：殷鵬飛

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