金属所在金属中纳米孔弥散强化研究方面获进展

发展新型轻质高强度材料是航空航天、汽车、消费电子等领域的迫切需求。当前，材料轻量化一般通过添加更轻的合金元素如轻质钢中的铝、铝合金中的锂来实现。与之相比，引入孔洞是更为直观有效且更具普适性的材料减重途径。然而，一般情况下，少量孔洞即可导致材料的强度、塑韧性、疲劳性能等力学性能急剧降低。因此，在铸造、粉末冶金、3D打印等材料制备加工过程中，孔洞一般被视为严重材料缺陷而需要严格控制并极力消除。

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提出，如果细化至百纳米以下并弥散分布于材料中，孔洞将从有害材料缺陷转变为有益的“强化相”。该团队以金为模型材料研究发现，添加弥散纳米孔可在不损失、甚至提高塑性的同时，降低材料密度并大幅提升其强度。8月9日，相关研究成果以Strengthening Gold with Dispersed Nanovoids为题，发表在《科学》（Science）上。

该团队通过脱合金腐蚀法制备出结构均匀的纳米多孔金，将其适当压缩并加热退火，形成含有大量弥散分布纳米孔的新材料。微拉伸实验发现，添加体积分数高达5%~10%的纳米孔后，材料屈服强度提升50%~100%，且保持良好的塑性。部分样品塑性甚至优于同等晶粒尺寸的完全致密材料。弥散分布纳米孔有助于减轻孔洞周围应力和应变集中，抑制裂纹的萌生。该材料巨大比表面积促进表面-位错间交互作用，进而提高强度的同时也提高应变硬化率，且后者有助于提高塑性。

研究表明，特征尺寸低于百纳米的孔洞具有类似于纳米颗粒或纳米析出相的强化效应，是一种“零质量、零污染”的新型纳米强化相。这一强化方式有助于材料轻量化和回收再利用，可更大限度保留本体材料导热导电等优异物理性能，并有望在多个领域得到应用。

研究工作得到国家自然科学基金的支持。

论文链接

纳米孔弥散强化金（NVD Au）：(a）样品实物图；（b）典型扫描电镜照片；（c）透射电镜照片；（d）三维重构图显示纳米孔的空间分布。

纳米孔弥散强化金（NVD Au）的力学行为：（a）不同孔径NVD Au以及全致密参比样品的拉伸曲线；（b）两种样品均匀延伸率随屈服强度的变化；（c）屈服强度和（d）均匀延伸率随孔径的变化规律。AMM： 增材制造金属材料。屈服强度和均匀延伸率均以相应全致密态样品数据为基准进行了归一化。