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金属所制备出高强度高稳定性纳米多孔铝

2021-07-28 金属研究所
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  纳米多孔金属是脱合金腐蚀过程中自组装形成的新型纳米材料。该材料具有纳米尺度孔棱尺寸和巨大比表面积,可制成毫米以上宏观尺度样品。纳米多孔金属在催化、感应、驱动、光学、电化学能量存储与转换等多个领域具有发展前景,是潜在的轻质、高比强度、力学性能可往复调节的结构-功能一体化新材料。受制于制备方法,当前纳米多孔金属多限于金、铂、铜、镍等贵金属或较重元素金属体系,其密度高于常规泡沫金属材料。此外,纳米多孔金属通常热稳定性较差,在表面过剩自由能的驱动下易发生结构粗化。如何降低纳米多孔金属的密度并提高其稳定性,是发展轻质高强多功能纳米多孔金属材料的关键。

  近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员金海军团队在该研究方向上取得进展。科研人员提出在金属铝中构筑纳米多孔结构,一方面利用轻金属铝作为骨架相可降低纳米多孔金属密度,另一方面铝表面自发形成的极薄氧化膜可抑制表面扩散,提高材料热稳定性。

  科研人员将脱合金腐蚀与置换反应(GRR)相结合,制备出无裂纹的高质量纳米多孔铝样品。其孔棱直径约为200纳米,孔棱表面覆盖有自发生成且可自修复的氧化铝纳米壳层(图1)。该纳米氧化膜可阻止材料进一步氧化和自燃,大幅降低表面扩散速率,从而提高纳米多孔铝的热稳定性。该材料纳米多孔结构在接近铝熔点温度下仍能保持稳定而不发生显著结构粗化。由于该材料较好的多孔结构联结性和优异的承载效率,以及表面氧化膜的强化作用,纳米多孔铝在拉伸和压缩条件下均表现出高强度。其强度远高于同等密度传统泡沫金属材料。与已报道的纳米多孔金属相比,纳米多孔铝更稳定、密度更低、比强度更高(图2)。该研究为发展新型轻质高强度材料提供了新思路,也为探索高温等极限条件下纳米多孔金属功能应用提供参考。

  相关研究成果以Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell为题,发表在Science Advances上。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

  图1.纳米多孔铝的结构表征。(A-C)纳米多孔铝孔棱的HAADF-STEM图像和EDS元素分布图;(D)纳米多孔铝孔棱的HRTEM图像;(E,F)氧化铝层在600°C下退火0.5h前后的准原位TEM图像。

 

图2.纳米多孔铝(Al-Al2O3复合材料)的强度与密度关系图。

打印 责任编辑:阎芳

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