鋁合金是一種很不錯的輕量級材料, 許多軟飲料都喜歡用它製作易拉罐. 不過鋁合金的缺點也很明顯——太脆了. 好消息是, 普渡大學的研究人員, 已經開發出了一種新型的鋁合金材料. 通過在金屬的晶體結構中引入 '斷層' (faults) , 這種 '缺陷' 竟然可以極大地提升材料強度. 除了讓新型鋁合金的強度比肩不鏽鋼, 這項特性也可用於耐腐蝕塗層.
研究員在準備一份樣品, 左為Sichuang Xue, 右為Qiang Li.
從微觀層面上來講, 金屬就是一層層重複堆疊起來的晶體原子組成的. 當某一層的模式缺失時, 就會遭致 '堆垛層錯' (stacking fault) .
如果有兩個斷層, 則被稱作 '雙邊界' (twin boundaries) 或 '納米孿晶' (nanotwins) . 若達到了9層, 就被稱作 '9R相' .
有趣的是, 這些堆疊起來的斷層竟然能夠讓材料強度變得更高. 有鑒於此, 普渡大學的研究人員們希望同時將 '納米孿晶' 和 '9R相' 兩種特性包含進去.
這份鋁合金樣品將被透射式電子顯微鏡分析, 以研究其結晶結構.
難度在於, 金屬有一個 '高堆垛層錯能' (high stacking fault energy) , 即材料會傾向於 '自我糾錯' . 兩項新研究作者Xinghang Zhang表示:
此前有人證實了鋁材料很難引入 '雙邊界' , 而 '9R相' 的引入就更難了, 因為它的 '堆錯能' 太高了.
即便如此, 他們還是克服了難題, 將兩項特性引入到新型鋁材中, 在增加材料的強度和延展性的同時, 還改善了它的熱穩定性.
普渡大學研究人員發明的這種新型鋁合金, 擁有比肩不鏽鋼的強度特性.
為了在新型鋁材中引入 '9R相' , 科學家們使用了兩項不同的技術. 其一是 '衝擊誘發' (shock-induced) , 即利用雷射來轟擊超薄鋁片和二氧化矽粒子.
論文一作Sichuang Xue稱: '我們發現, 該技術可誘發寬度達到數十納米的 '9R相' 形變' . 第二項技術則是 '磁控濺射' (magnetron sputtering) .
該工藝可以可將鐵原子引入鋁的晶體結構中, 從而打造出迄今為止強度最高的鋁合金材料. 研究團隊稱, 該工藝可以拓展至工業化生產的規模.
新技術有望在電子設備和車輛的耐腐蝕塗層領域得到應用. Xinghang Zhang表示: '這些結果展示了如何製造強度比肩不鏽鋼的鋁合金材料, 該發現對商業有著很多的潛在影響' .
有關 '衝擊誘發' 研究的詳情, 已經發表在近日出版的《自然通訊》 (Nature Communications) 期刊上.
至於 '磁控噴濺' 研究的詳情, 則發表在近日出版的《先進材料》 (Advanced Materials) 期刊上.
