Purdue大學(xué)博士后研究助理Sichuang Xue（左側(cè)）和博士生Qiang Li正在研制超高強(qiáng)鋁合金樣品。圖片來(lái)源：Purdue大學(xué)供圖/ Marshall Farthing

    研究人員已經(jīng)能夠制造出與不銹鋼強(qiáng)度相匹敵的超高強(qiáng)度鋁合金，這是一項(xiàng)具有潛在工業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)。

    “大多數(shù)輕量化鋁合金材質(zhì)較軟，固有的機(jī)械強(qiáng)度較低，這阻礙了它在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。” Purdue大學(xué)材料工程學(xué)院教授Xinghang Zhang說(shuō)：“新型輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金與不銹鋼相比，將有效的推動(dòng)汽車和航空航天工業(yè)發(fā)生革命性的變化。”

    以Purdue大學(xué)博士后研究員Sichuang Xue和博士生Qiang Li為首的研究團(tuán)隊(duì)在兩篇新的研究論文中詳細(xì)說(shuō)明了他們的研究成果，表示改變鋁的微觀結(jié)構(gòu)，將賦予其更大的強(qiáng)度和更高的延展性。

    最近的一篇論文發(fā)表在1月22日的《先進(jìn)材料》雜志上。十一月早些時(shí)候的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

    新型高強(qiáng)度鋁合金的產(chǎn)生是通過(guò)引入“堆垛層錯(cuò)”或晶體結(jié)構(gòu)中的扭曲產(chǎn)生的。雖然這些金屬在銅和銀等金屬中很容易產(chǎn)生，但其“堆垛層錯(cuò)能”很難在鋁中引入。

    金屬的晶格是由一系列重復(fù)的原子層組成的。如果缺少一層，就稱為堆垛層錯(cuò)。同時(shí)，所謂的“孿晶界”由兩層堆垛層錯(cuò)組成。張說(shuō)， 一種被稱為9R堆垛層錯(cuò)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(cuò)能量而難以形成。”張說(shuō)：“所以研究人員想同時(shí)引入納米孿晶和9R相納米晶鋁增加強(qiáng)度和韌性，提高熱穩(wěn)定性。”

    現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)掌握了同時(shí)在鋁中引入9R相和納米孿晶的方法。

    “這些結(jié)果說(shuō)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(jiān)固。”他說(shuō)：“在這一發(fā)現(xiàn)中有許多潛在的商業(yè)影響。”

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

    “在這里，通過(guò)使用激光撞擊測(cè)試技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)可在幾十納米的寬度形變誘導(dǎo)9R。”Xue說(shuō)。

    微晶測(cè)試是由Nature雜志中的共同作者，Rice大學(xué)的Edwin L. Thomas教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組進(jìn)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(yīng)用的各種合金篩選試驗(yàn)。

準(zhǔn)備利用透射電子顯微鏡分析的樣品。圖片來(lái)源：Purdue大學(xué)影像/ Marshall Farthing

    “我想在短時(shí)間內(nèi)篩選很多材料。”張說(shuō)：“這種方法允許我們以比其他可能低得多的代價(jià)做到這一點(diǎn)。”

    Li是先進(jìn)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(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)9R，而不是通過(guò) “休克”的方式。鐵也可以用其他技術(shù)，如鑄造技術(shù)引入鋁，新發(fā)現(xiàn)可能會(huì)擴(kuò)大到工業(yè)應(yīng)用中。

    相對(duì)比高強(qiáng)度鋼來(lái)說(shuō)，由此產(chǎn)生的“納米孿晶”鋁鐵合金涂層有望成為有史以來(lái)最強(qiáng)大的鋁合金。

    “內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校王健教授的小組進(jìn)行的分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示了9R相和納米顆粒在高強(qiáng)度作用下的結(jié)果，其加工硬化能力，揭示了鋁9R相的形成機(jī)制。”張說(shuō)：“了解新的變形機(jī)制將有助于我們?cè)O(shè)計(jì)新的高強(qiáng)度、延展性的金屬材料，如鋁合金。”

    一個(gè)潛在的應(yīng)用可能是設(shè)計(jì)用于電子和汽車工業(yè)的耐磨耐蝕鋁合金涂層。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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