Science最新材料发现：孔洞设计竟能让金属更坚韧？

2024年8月，中国科学院金属研究所金海军课题组发表science，提出孔洞的存在并不总是对金属材料有害，研究成果被央视新闻等多家媒体报道！

      现代工业对轻质且高强度材料的需求日益增加，这不仅有助于提升能效，还能减少交通运输中的排放。然而，材料中的空隙往往被视为缺陷，会显著降低材料的强度和韧性。尽管已有研究表明纳米尺度的空隙可能对材料有强化作用，但因合成均匀分散的纳米空隙材料的困难，此类研究进展有限。传统上，空隙被认为是材料制造过程中应避免的缺陷，并且在材料的使用寿命中应尽量避免空隙的出现。

      本研究通过一系列方法在纯金（Au）中成功引入了均匀分布的高密度纳米空隙。首先，通过选择性腐蚀银金合金（Ag₇₅Au₂₅）中的银元素，得到具有纳米孔结构的纯金。然后通过压缩和热处理步骤，使得纳米孔收缩并最终形成封闭的纳米空隙。这些纳米空隙的直径范围从几纳米到50纳米不等，且在材料中均匀分布。

      研究结果表明，相较于完全致密的纯金材料，这种含有纳米空隙的金材料（NVD Au）表现出显著增强的拉伸强度和延展性。例如，平均纳米空隙尺寸为18纳米的NVD Au，其0.2%偏移屈服强度达到176 MPa，较完全致密的纯金材料（85 MPa）提升了约107%。同时，材料的强度重量比提高了约118%。此外，研究还发现，随着纳米空隙尺寸的减小，材料的强度增加，而延展性则有所降低。然而，即便如此，所有NVD Au样品的延展性仍远优于无空隙的纳米多孔金属，后者在拉伸或弯曲时通常表现为脆性。

      在机械性能测试中，NVD Au的强度随着纳米空隙尺寸的减小而增加，同时展现出与传统颗粒强化不同的高延展性。研究还指出，尽管传统观念认为空隙会降低材料的延展性，但在NVD Au中，纳米空隙通过与位错的相互作用，抑制了材料的脆性断裂，并进一步增强了材料的韧性。这些发现挑战了传统观点，即空隙应被最小化或消除的材料设计原则。

图1：纳米空隙分散金（NVD Au）的合成与微结构。

      图1A展示了在不同压缩和退火处理后的纳米孔/空隙尺寸随相对密度（φ）的变化。当纳米多孔金被压缩至不同应变并在698K下退火0.5小时后，孔隙结构会经历从开放的连续纳米孔结构向封闭的纳米空隙分布的转变。当孔隙率（1 - φ）降低到低于孔渗透阈值（约15.9%）时，结构开始从粗大的开放纳米孔转变为分散的封闭纳米空隙。图1B展示了φ ≈ 0.95和D ≈ 18 nm的NVD Au样品的典型电子背散射衍射（EBSD）图像。图像显示出粗大的晶粒结构，平均晶粒尺寸约为10微米，并且纳米空隙均匀分布在材料中。图1C扫描电子显微镜（SEM）图像展示了相同样品中纳米空隙的均匀分布。大多数空隙呈球形，少数呈现出晶面特征。图1D透射电子显微镜（TEM）图像进一步显示了纳米空隙的分布情况。空隙直径范围从几纳米到50纳米不等，平均尺寸为18纳米。样品中的位错数量非常少，表明纳米空隙对位错运动的显著影响。图1E展示了D ≈ 45 nm的NVD Au的三维重构图像。重构图像确认了纳米空隙在三维空间内的均匀分布。

图2：NVD Au的拉伸性能。

      图2A展示了具有不同平均空隙直径D（18至180nm）的NVD Au样品的拉伸应力-应变曲线。这些样品的相对密度φ约为0.95，平均晶粒尺寸约为10微米。作为对比，还展示了相似晶粒尺寸的完全致密的纯金的拉伸应力-应变曲线。可以看出，随着空隙直径的减小，NVD Au的强度增加。图2B展示了相对密度φ ≈ 0.89的NVD Au样品的拉伸应力-应变曲线。尽管空隙尺寸分布较宽，但材料表现出较高的强度和相对延展性，同时密度降低超过10%。图2C展示了经过冷轧和热处理的完全致密的纯金样品的拉伸应力-应变曲线（退火温度为698K）。对比显示，NVD Au样品比完全致密的纯金具有更高的强度和延展性。图2D展示了NVD Au和完全致密的纯金样品的屈服强度与均匀延伸率之间的关系图。可以看出，NVD Au在相同延展性条件下比完全致密的纯金更强，或者在相同强度条件下更具延展性。图2E展示了NVD Au和添加剂制造的金属材料（包括钛合金、铝合金、铁和钢）相对于完全致密材料的归一化屈服强度与平均空隙尺寸之间的关系。图2F展示了NVD Au和添加剂制造的金属材料的归一化拉伸延展性与平均空隙尺寸之间的关系。

图3：表面-位错相互作用。

      图3A亮场透射电子显微镜（TEM）图像展示了经过拉伸测试的NVD Au样品（D ≈ 18 nm）中的纳米空隙和位错相互作用。图像显示，多个位错被纳米空隙束缚或钉扎，并且一些位错在空隙之间弯曲。图3B对应图3A的示意图，空心圆表示纳米空隙，橙色线表示位错，蓝色箭头指示了部分位错的弯曲。图3CTEM图像展示了同一样品在拉伸破裂面附近的颈缩区域。图像中大多数空隙沿拉伸方向延长，表明纳米空隙在拉伸过程中发生了塑性变形，而不是像裂纹一样沿垂直于应力的方向扩展。图3D显示了关键剪切应力与空隙间距的倒数之间的关系。此图显示了位错绕过纳米空隙阵列所需的剪切应力如何随空隙间距的减小而增加。

图4：NVD Au的应变硬化率。

      图4展示了NVD Au在不同平均空隙直径D条件下的应变硬化率随真实拉伸应变的变化。这些数据来源于图2A中的拉伸应力-应变曲线。可以看出，与完全致密的金相比，NVD Au在较高塑性应变下保持了较高的应变硬化率。这种高应变硬化率延缓了颈缩的发生，从而提高了材料的延展性。

      本研究展示了一种通过在纯金中分散纳米空隙来增强其强度和韧性的新方法。这些纳米空隙不仅显著提升了材料的强度，而且在某些情况下还改善了材料的延展性，同时将材料的密度降低了10%以上。这种强化策略无需改变材料的成分或相态，是一种环保且经济的技术，可以保留材料的热、电导率等物理性质以及抗腐蚀性能。因此，这种技术有望应用于其他金属及工程合金中，尤其是在需要保持材料原有特性的同时增强其机械性能的应用场景中。

此外，未来的研究可以探索在更高孔隙率的条件下，是否能够进一步提升材料的延展性，同时赋予其更多功能性和应用潜力。例如，在开孔结构中引入层次结构或增加结构异质性，可能进一步提高NVD金属的机械性能。同时，通过表面改性或沉淀强化等技术，可以进一步提高纳米空隙的强化效果，这将在包括电子器件中的连接器和接触材料等领域产生显著的应用价值。

联系人：许经理 17843129655（同微信）

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