《Adv. Mat.》：鋁合金，高強度+耐腐蝕！
2024-07-16 14:52:37
作者： 材料PLUS 來源： 材料PLUS
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高強度鋁基金屬材料因其重量輕、性能好（如高特定強度和導電性），而廣泛應用于航空、航空航天和海洋工業。這類材料的高強度往往依賴于增強相的引入，如Al合金中的沉淀相和Al基質復合材料中的增強相。這些相與Al基體間存在顯著的電化學性質差異，導致暴露在惡劣環境中易發生微電流腐蝕，從而導致材料的抗腐蝕性較差。腐蝕問題不僅威脅部件的安全性和結構完整性，還限制了它們的廣泛應用，還可能引發巨大的經濟損失和對人類生命的不可逆轉的傷害。因此，解決高強度鋁基材料的腐蝕問題一直是工程應用的迫切需要。為應對這一挑戰，科研人員不斷探索多種表面防護策略，如涂層技術及微弧氧化處理，來抑制腐蝕過程。然而，這些方法不能提供終身保護，且處理復雜。另一方面，通過優化成分、調節強化相并控制其與基體的相互作用，致力于提高高強度鋁基材料的固有耐腐蝕性。然而，在鋁基材料中實現高強度和良好的耐腐蝕性通常需要強度-腐蝕權衡，因為傳統方法產生的強化相會不同程度地降低耐腐蝕性。因此，在不犧牲高強度的情況下，顯著提高鋁基金屬材料的終身耐腐蝕性仍然是一個巨大的挑戰。近日，中科院金屬所鄭玉貴研究員、馬宗義研究員&中科院深圳先進院成會明院士受魚類從腺體分泌黏液以抵抗外部環境變化的啟發，開發了一種新穎的策略：將沉淀劑作為黏液加入大塊金屬中，使用開口碳納米管（CNTs）的內腔作為腺體，使高強度鋁合金具有終身卓越的耐腐蝕性。所得材料具有超高的抗拉強度（≈700 MPa）和酸性、中性和堿性介質中非凡的耐腐蝕性。與先前報道的所有鋁合金相比，它具有最高的抗晶間腐蝕、剝落腐蝕和應力腐蝕開裂性，其腐蝕速率甚至遠低于純鋁，這是由于暴露的CNTs釋放的沉淀劑在表面富集，進而形成了保護性表面膜。更重要的是，由于沉淀劑分散在整個材料中且按需最小自給，其高耐腐蝕性是終身的和自修復的。這一策略有望推廣到其他類型的鋁合金，并為開發耐腐蝕的高強度金屬材料鋪平道路。相關研究工作以“Nature-Inspired Incorporation of Precipitants into High-Strength Bulk Aluminum Alloys Enables Life-Long Extraordinary Corrosion Resistance in Diverse Aqueous Environments”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。圖1. Na2MoO4@CNT/7075的制備、微觀結構和力學性能。(a) Na2MoO4@CNT/7075的制備示意圖；(b) Na2MoO4@CNT粉末的TEM圖像和能量色散光譜（EDS）圖；(c) Na2MoO4@CNT/7075塊體中Na2MoO4@CNT的TEM圖像和EDS圖；(d) Na2MoO4@CNT和Al基體之間界面的HRTEM圖像和選區電子衍射（SAED）圖案（插圖）；(e) 工程應力-應變-拉伸曲線。圖2. 根據ASTM標準，與7075、CNT/7075和其他鋁合金相比，Na2MoO4@CNT/7075的腐蝕性能。(a-c)在對Na2MoO4@CNT/7075 (a)、7075 (b)和CNT/7705 (c)進行IGC測試后，樣品的截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和標記的IGC深度；(d-f)在Na2MoO4@CNT/7075 (d)、7075 (e)和CNT/7705 (f)的EXCO測試后，樣品的光學宏觀EXCO形態和標記的EXCO評級；(g) EXCO測試后樣品的表面文件；(h) 在空氣和0.6 mol·L-1 NaCl溶液中的SSRT曲線，以評估SCC易感性；(i) Na2MoO4@CNT/7075、7075和CNT/7705的FEloss、ELloss和ISSRT的SCC指數；(J-l)與其他鋁合金相比，Na2MoO4@CNT/7075的UTS與IGC (j)、EXCO (k)和SCC (l)電阻。圖3. 與7075、CNT/7075和其他高強度（UTS>600MPa）鋁合金相比，通過測量重量損失獲得了Na2MoO4@CNT/7705在不同腐蝕介質中的腐蝕速率。(a)浸泡2天后在1mol·L-1 H2SO4和1mol·L-1 NaOH溶液中以及浸泡30天后在0.6mol·L-1 NaCl溶液中的腐蝕速率和腐蝕形態的SEM圖像；(b)與其他倒退和再時效（RRA）、應力時效（SA）、動態時效（DA）、Zn/Mg比例優化、Sc合金化以及Pr和Er合金化策略相比，本策略能夠同時提高UTS和降低腐蝕速率（在0.6mol·L-1 NaCl溶液中），顯示出克服鋁基材料強度-腐蝕權衡影響的卓越能力。圖4. 擴展了使用開口CNT內腔將沉淀劑摻入大塊金屬的新策略。(a-d)工程應力-應變-拉伸曲線，包括IGC測試后樣品的截面SEM圖像和標記的IGC深度（右上），以及在Na3PO4@CNT/7075 (a)、Na2SiO3@CNT/7705 (b)、Na2MoO4@CNT/6061 (c)和Na2MoO4@CNT/2024 (d)的EXCO測試后的光學宏觀EXCO形態（右下），顯示出高強度和優異耐腐蝕性的良好組合。這項工作提出了一種受自然啟發的創新策略，通過使用開口CNTs的內腔將額定水溶性沉淀劑摻入大塊鋁合金中，開發耐腐蝕的高強度鋁基材料。這一策略由于通過負載傳遞機制的CNT的外壁潔凈，提高了大塊鋁合金的強度；同時，由于毛細管作用使暴露的CNT釋放的沉淀劑明顯富集，使大塊鋁合金具有非凡的耐腐蝕性，巧妙平衡了金屬材料的強度與耐腐蝕性的傳統矛盾。值得一提的是，沉淀劑在大塊金屬中的釋放是自發的、按需的和微小的，且利用率很高，為高強度鋁合金在各種腐蝕性水介質中提供了終身和自愈的耐腐蝕性。結果表明，通過調整鋁合金基體和沉積相，可輕易實現高強度和優異耐腐蝕性的良好結合。該策略展現出巨大的潛在擴展能力，通過開口CNTs與適宜沉淀劑的結合，針對特定應用需求，精準定制開發出其他種類的高強度且耐腐蝕的鎂基、鋅基或銅基材料。因此，這種受自然啟發的策略，將激起科研界對先進材料研發與應用領域的廣泛興趣與深入探索。
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