铝合金是一种很不错的轻量级材料, 许多软饮料都喜欢用它制作易拉罐. 不过铝合金的缺点也很明显——太脆了. 好消息是, 普渡大学的研究人员, 已经开发出了一种新型的铝合金材料. 通过在金属的晶体结构中引入 '断层' (faults) , 这种 '缺陷' 竟然可以极大地提升材料强度. 除了让新型铝合金的强度比肩不锈钢, 这项特性也可用于耐腐蚀涂层.
研究员在准备一份样品, 左为Sichuang Xue, 右为Qiang Li.
从微观层面上来讲, 金属就是一层层重复堆叠起来的晶体原子组成的. 当某一层的模式缺失时, 就会遭致 '堆垛层错' (stacking fault) .
如果有两个断层, 则被称作 '双边界' (twin boundaries) 或 '纳米孪晶' (nanotwins) . 若达到了9层, 就被称作 '9R相' .
有趣的是, 这些堆叠起来的断层竟然能够让材料强度变得更高. 有鉴于此, 普渡大学的研究人员们希望同时将 '纳米孪晶' 和 '9R相' 两种特性包含进去.
这份铝合金样品将被透射式电子显微镜分析, 以研究其结晶结构.
难度在于, 金属有一个 '高堆垛层错能' (high stacking fault energy) , 即材料会倾向于 '自我纠错' . 两项新研究作者Xinghang Zhang表示:
此前有人证实了铝材料很难引入 '双边界' , 而 '9R相' 的引入就更难了, 因为它的 '堆错能' 太高了.
即便如此, 他们还是克服了难题, 将两项特性引入到新型铝材中, 在增加材料的强度和延展性的同时, 还改善了它的热稳定性.
普渡大学研究人员发明的这种新型铝合金, 拥有比肩不锈钢的强度特性.
为了在新型铝材中引入 '9R相' , 科学家们使用了两项不同的技术. 其一是 '冲击诱发' (shock-induced) , 即利用激光来轰击超薄铝片和二氧化硅粒子.
论文一作Sichuang Xue称: '我们发现, 该技术可诱发宽度达到数十纳米的 '9R相' 形变' . 第二项技术则是 '磁控溅射' (magnetron sputtering) .
该工艺可以可将铁原子引入铝的晶体结构中, 从而打造出迄今为止强度最高的铝合金材料. 研究团队称, 该工艺可以拓展至工业化生产的规模.
新技术有望在电子设备和车辆的耐腐蚀涂层领域得到应用. Xinghang Zhang表示: '这些结果展示了如何制造强度比肩不锈钢的铝合金材料, 该发现对商业有着很多的潜在影响' .
有关 '冲击诱发' 研究的详情, 已经发表在近日出版的《自然通讯》 (Nature Communications) 期刊上.
至于 '磁控喷溅' 研究的详情, 则发表在近日出版的《先进材料》 (Advanced Materials) 期刊上.
