中科院金属所，最新Science!

1.【科学背景】

现代工业的几乎所有领域，对轻质和坚固材料的需求都在稳步增长。即使只是将结构材料的重量降低几个百分点，例如，在钢中加入铝或在铝合金中加入锂等轻质元素，都可以显著提高能源效率，减少运输应用中的排放。引入孔隙可能是实现轻量化最有效和最广泛适用的方法。然而，孔隙通常被认为制造过程中需要消除的缺陷，其存在会使材料的强度和延展性严重恶化。值得注意的是，与晶界等其他界面类似，孔隙表面也可以与位错发生弹性相互作用，足够小的孔隙能够引起额外强化。因此，长期以来人们一直设想可以通过引入纳米级孔隙来增强材料，类似于沉淀硬化或纳米颗粒硬化。然而，合成具有均匀分散纳米孔隙的材料面临很大挑战。例如辐射可以产生诱发大量缺陷，包括纳米空洞或纳米气泡，使材料硬化但同时也会严重脆化材料，因此通常被认为是有害的。

2.【创新成果】

基于以上研究背景，中科院金属所金海军教授（通讯作者）等人发现当金属中的孔隙收缩到亚微米或纳米尺度时，分散的纳米孔可以在减轻重量的同时，增加材料的强度和延展性。他们通过一系列加工过程，包括腐蚀、压缩和热退火，将纳米孔隙引入纯金中，为开发新型轻质、高性能材料提供了一种廉价、环保的方法。相关研究成果以“Strengthening gold with dispersed nanovoids”为题发表在最新Science期刊上。

图1.具有分散纳米孔（NVD）金的合成与微观结构。© 2024 AAAS

图2. NVD金的拉伸性能。© 2024 AAAS

图3.表面位错相互作用。© 2024 AAAS

图4.NVD金的应变-硬化率。© 2024 AAAS

3.【科学启迪】

在本工作中，分散的纳米孔隙使纯金密度降低了10%以上，只要纳米孔隙能够有效地整合到材料中，这种强化策略也可以适用于其他金属和工程合金。除了传统的发泡技术外，在凝固、相互扩散、塑性变形和增材制造过程中也会大量形成孔隙，但是这些孔隙通常较大，形状不规则，分布不均匀，因此不利于材料的力学性能。与其消除这些孔隙，不如改进它们的大小，调整它们的形状和分布，在不改变材料成分或相的情况下实现了纳米孔隙的分散强化。虽然纳米孔隙的强化效果可能不如硬纳米颗粒，但可以进一步通过表面修饰，如表面偏析甚至沉淀来改善。另外，通过引入层次结构或增加结构异质性，具有分散纳米孔金属的机械性能还将进一步改善。

原文详情：Chen, et al. Strengthening gold with dispersed nanovoids, Science (2024).