超强且高塑性的多级纳米结构铝合金

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对结构金属材料而言,高强度与具备高延展性往往不可兼容。最近香港城市大学(城大)领导的一项研究提出新策略,以打破这个定律。研究团队通过分子动力学模拟,辅助非晶-纳米晶多级纳米结构的设计,开发出一种迄今为止最高强度并且具备高延展性的铝合金。这种新物料未来或可应用于柔性可穿戴电子器件的微机电系统(MEMS)上。

城大副校长(研究及科技)兼国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心和先进结构材料研究中心主任、以及机械工程学系讲座教授吕坚教授带领研究团队,早前已开发出全球首创的超纳镁合金双相材料。该尖端新型材料的强度较当时现有超强镁合金晶态材料高出十倍,变形能力则较镁基金属玻璃高两倍,并可发展成可生物降解植入材料。该重大研究成果更成为2017年5月4日出版、国际顶尖科学学术期刊《自然》的封面故事。

突破高强度与高延展性不兼容的局限

研究团队及后未有怠慢,继而将目光投向开发出既高强度、亦具高延展性的材料,近期再下一城,透过先进的纳米结构调控技术,用约4纳米厚的金属玻璃壳,包裹着直径约40纳米的面心立方(face-centred-cubic, fcc)纳米晶粒,开发出 “多级纳米结构铝合金”(hierarchical nanostructured aluminum alloy)。

一般而言,高强度晶态合金的设计,通常会透过控制缺陷来阻挡位错(dislocation,即原子的局部不规则排列、晶体缺陷)的移动,从而达致强化的效果。然而,晶态材料强化的代价往往是牺牲了塑性(即是物件被施加外力时变形的能力。当外力较小时对象会发生弹性变形,而当外力超过某个数值,对象便产生不可逆转的形变,叫塑性变形)。那城大这项研究是如何鱼与熊掌兼得的呢?

揉合金属玻璃与晶态材料

关键就在于结合纳米尺寸的非晶态金属玻璃(metallic glass)与晶态的纳米材料。金属玻璃又称为非晶态金属,具有不同的变形机制,不会出现因基于位错移动的晶面滑移,所以相比晶态材料,能展现出达2%、较大的弹性变形,也因此较晶态材料有更高的屈服强度。

然而,室温下金属玻璃的塑性变形主要在纳米尺度的剪切带(shear bands,即非均匀变形的区域)出现,令材料沿着剪切带软化和扩展,最终会导致这些非晶材料的失稳断裂。因此,如果要完全压制金属玻璃相的剪切带行为出现,理论上金属玻璃相的尺寸需要小于100纳米(甚至10纳米),这样便能大大提升其强度,同时保留金属玻璃的塑性特质。

团队按着这个方向,成功研发出“多级纳米结构铝合金”,以极薄的金属玻璃相包裹着晶相,令材料同时兼具纳米级金属玻璃相的塑性流变行为,以及晶体相的应变硬化(strain hardening,即材料经过塑性变形后,内部组织产生变化,提高了材料的抗变形能力),提供鱼与熊掌兼得的高强度和高塑性。

最高的小图是“多级纳米结构铝合金”的光学影像。图f的高分辨透射电子显微(HRTEM)照片显示出一个铝纳米晶粒被非晶相(即金属玻璃,后处理为浅黄色部分)所包裹。图中的白色虚线方形区域,显示了[0 1 1]晶带轴下的面心立方(fcc)结构。(图片来源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)
最高的小图是“多级纳米结构铝合金”的光学影像。图f的高分辨透射电子显微(HRTEM)照片显示出一个铝纳米晶粒被非晶相(即金属玻璃,后处理为浅黄色部分)所包裹。图中的白色虚线方形区域,显示了[0 1 1]晶带轴下的面心立方(fcc)结构。(图片来源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)

 

高强度兼高塑性

实验数据显示,“多级纳米结构铝合金”具备1.7 GPa的超高压缩屈服强度,以及1.2 GPa的拉伸屈服强度。相反,铝基金属玻璃(aluminum-based metallic glass)的压缩屈服强度只有1.0 GPa兼毫无弹性,而纳米晶铝(nanocrystalline aluminum)的压缩屈服强度更只有0.2 GPa。研究团队相信,纳米级金属玻璃由于体积极小,已经接近于理想强度,加上取代了晶界,因此避免出现造成一般纳米晶态材料变软的晶界迁移,同时阻止位错由纳米晶粒滑向旁边的晶粒,令“多级纳米结构铝合金”具备超高强度。

至于在塑性变形过程中,包裹在外的金属玻璃相由于体积极小而出现流变,纳米晶和金属玻璃相之间的界面就会产生位错。有一部分位错会在纳米晶粒中堆积来提供应变硬化。另外大部分的位错会在纳米晶粒中移动,并在另一个纳米晶/金属玻璃相的界面处湮灭(即被边界的原子所吸收),此种位错可被称之为「转瞬」位错。「转瞬」位错的产生-移动-湮灭的连续过程,以及纳米级金属玻璃本身的塑性流变行为,造就了此材料的高塑性。实验数据显示,“多级纳米结构铝合金”展现出很大的塑性变形,应变(strain)超过70%。

图为位错与纳米金属玻璃间相互作用的示意图。一个位错(‘┴’)在玻璃-晶粒2的界面产生,之后在晶粒2中移动。另外一个位错(‘┴’)在晶粒1内移动,之后于纳米金属玻璃相边界湮灭。红色和蓝色的圆形分别代表高活动性和较低活动性的原子。虚线代表高活动性原子的运动“轨迹”。黑色箭头指示位错的运动方向。(图片来源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)
图为位错与纳米金属玻璃间相互作用的示意图。一个位错(‘┴’)在玻璃-晶粒2的界面产生,之后在晶粒2中移动。另外一个位错(‘┴’)在晶粒1内移动,之后于纳米金属玻璃相边界湮灭。红色和蓝色的圆形分别代表高活动性和较低活动性的原子。虚线代表高活动性原子的运动“轨迹”。黑色箭头指示位错的运动方向。(图片来源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)

 

“多级纳米结构铝合金”(上)、铝基金属玻璃(中)、纳米晶铝(下)微米柱样品(1 μm直径)的压缩工程应力-应变曲线,反映样品的力学性能的对比。可见“多级纳米结构铝合金”能被压缩,没有出现裂痕,非常强韧。相反,其他两者均出现断裂的情况,塑性不佳。(图片来源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)
“多级纳米结构铝合金”(上)、铝基金属玻璃(中)、纳米晶铝(下)微米柱样品(1 μm直径)的压缩工程应力-应变曲线,反映样品的力学性能的对比。可见“多级纳米结构铝合金”能被压缩,没有出现裂痕,非常强韧。相反,其他两者均出现断裂的情况,塑性不佳。(图片来源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)

 

研究数据又显示,在压缩之下,“多级纳米结构铝合金”显示出均匀变形:内部直径约40纳米的纳米晶粒会被压至大约8纳米,而外部本约4纳米厚的金属玻璃相会被压缩至大约1纳米,兼且没有出现剪切带,证实了团队上述有关压制剪切带形成的假设。

铝合金用途广泛

“这次研究成果成功展示了材料科学工程领域中,开发一种多级纳米结构的新策略。”吕坚教授说。“这种研制铝合金的方法,相信有助日后研发轻量并强韧的合金,以应用在具备微机电系统(MEMS)的柔性可穿戴器件中。”

研究结果早前于学术期刊《自然通讯》上发表,题为《Hierarchical nanostructured aluminum alloy with ultrahigh strength and large plasticity》。吕坚教授是论文的通讯作者。第一、二和三作者同样来自城大,分别是研究员吴戈博士刘畅博士(吴、刘现为德国马普学会钢铁研究所的博士后)和孙李刚博士(现为哈尔滨工业大学(深圳)助理教授)。其他来自城大的研究团队成员包括城大香港高等研究院资深院士、大学杰出教授刘锦川教授、机械工程学系讲座教授开执中教授陆洋副教授王庆博士(现为上海大学研究员)、韩斌博士(现为陕西科技大学副教授)、高级副研究员栾军华博士、副研究员曹可和博士生成励子

这项研究得到城大、香港研究资助局、国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

DOI number: 10.1038/s41467-019-13087-4

 

(左起)孙李刚博士、吴戈博士及吕坚教授。他们上一个重大研究成果,超纳镁合金双相材料之前荣登《自然》的封面。
(左起)孙李刚博士、吴戈博士及吕坚教授。他们上一个重大研究成果,超纳镁合金双相材料之前荣登《自然》的封面。

 

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
Wechat ID: CityU_Research

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副校长室 (研究及科技)

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