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普渡大学研制出强度比肩不锈钢的新型铝合金材料

点击:389  添加时间:2018-02-06
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。
 
普渡大学研制出强度比肩不锈钢的新型铝合金材料
 
 
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。
 
普渡大学研制出强度比肩不锈钢的新型铝合金材料
 
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较高的铝合金材料。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”。
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