超強且高塑性的多級納米結構鋁合金

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對結構金屬材料而言,高強度與具備高延展性往往不可兼容。最近香港城市大學(城大)領導的一項研究提出新策略,以打破這個定律。研究團隊通過分子動力學模擬,輔助非晶-納米晶多級納米結構的設計,開發出一種迄今為止最高強度並且具備高延展性的鋁合金。這種新物料未來或可應用於柔性可穿戴電子器件的微機電系統(MEMS)上。

城大副校長(研究及科技)兼國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心和先進結構材料研究中心主任、以及機械工程學系講座教授呂堅教授帶領研究團隊,早前已開發出全球首創的超納鎂合金雙相材料。該尖端新型材料的強度較當時現有超強鎂合金晶態材料高出十倍,變形能力則較鎂基金屬玻璃高兩倍,並可發展成可生物降解植入材料。該重大研究成果更成為2017年5月4日出版、國際頂尖科學學術期刊《自然》的封面故事。

突破高強度與高延展性不兼容的局限

研究團隊及後未有怠慢,繼而將目光投向開發出既高強度、亦具高延展性的材料,近期再下一城,透過先進的納米結構調控技術,用約4納米厚的金屬玻璃殼,包裹着直徑約40納米的面心立方(face-centred-cubic, fcc)納米晶粒,開發出「多級納米結構鋁合金」(hierarchical nanostructured aluminum alloy)。

一般而言,高強度晶態合金的設計,通常會透過控制缺陷來阻擋位錯(dislocation,即原子的局部不規則排列、晶體缺陷)的移動,從而達致強化的效果。然而,晶態材料強化的代價往往是犧牲了塑性(即是物件被施加外力時變形的能力。當外力較小時物件會發生彈性變形,而當外力超過某個數值,物件便產生不可逆轉的形變,叫塑性變形)。那城大這項研究是如何魚與熊掌兼得的呢?

揉合金屬玻璃與晶態材料

關鍵就在於結合納米尺寸的非晶態金屬玻璃(metallic glass)與晶態的納米材料。金屬玻璃又稱為非晶態金屬,具有不同的變形機制,不會出現因基於位錯移動的晶面滑移,所以相比晶態材料,能展現出達2%、較大的彈性變形,也因此較晶態材料有更高的屈服強度。

然而,室溫下金屬玻璃的塑性變形主要在納米尺度的剪切帶(shear bands,即非均勻變形的區域)出現,令材料沿著剪切帶軟化和擴展,最終會導致這些非晶材料的失穩斷裂。因此,如果要完全壓制金屬玻璃相的剪切帶行為出現,理論上金屬玻璃相的尺寸需要小於100納米(甚至10納米),這樣便能大大提升其強度,同時保留金屬玻璃的塑性特質。

團隊按着這個方向,成功研發出「多級納米結構鋁合金」,以極薄的金屬玻璃相包裹着晶相,令材料同時兼具納米級金屬玻璃相的塑性流變行為,以及晶體相的應變硬化(strain hardening,即材料經過塑性變形後,內部組織產生變化,提高了材料的抗變形能力),提供魚與熊掌兼得的高強度和高塑性。

最高的小圖是多級納米結構鋁合金的光學影像。圖f的高分辨透射電子顯微(HRTEM)照片顯示出一個鋁納米晶粒被非晶相(即金屬玻璃,後處理為淺黃色部分)所包裹。圖中的白色虛線方形區域,顯示了[0 1 1]晶帶軸下的面心立方(fcc)結構。(圖片來源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)
最高的小圖是多級納米結構鋁合金的光學影像。圖f的高分辨透射電子顯微(HRTEM)照片顯示出一個鋁納米晶粒被非晶相(即金屬玻璃,後處理為淺黃色部分)所包裹。圖中的白色虛線方形區域,顯示了[0 1 1]晶帶軸下的面心立方(fcc)結構。(圖片來源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)

 

高強度兼高塑性

實驗數據顯示,「多級納米結構鋁合金」具備1.7 GPa的超高壓縮屈服強度,以及1.2 GPa的拉伸屈服強度。相反,鋁基金屬玻璃(aluminum-based metallic glass)的壓縮屈服強度只有1.0 GPa兼毫無彈性,而納米晶鋁(nanocrystalline aluminum)的壓縮屈服強度更只有0.2 GPa。研究團隊相信,納米級金屬玻璃由於體積極小,已經接近於理想強度,加上取代了晶界,因此避免出現造成一般納米晶態材料變軟的晶界遷移,同時阻止位錯由納米晶粒滑向旁邊的晶粒,令「多級納米結構鋁合金」具備超高強度。

至於在塑性變形過程中,包裹在外的金屬玻璃相由於體積極小而出現流變,納米晶和金屬玻璃相之間的界面就會產生位錯。有一部分位錯會在納米晶粒中堆積來提供應變硬化。另外大部分的位錯會在納米晶粒中移動,並在另一個納米晶/金屬玻璃相的界面處湮滅(即被邊界的原子所吸收),此種位錯可被稱之為「轉瞬」位錯。「轉瞬」位錯的產生-移動-湮滅的連續過程,以及納米級金屬玻璃本身的塑性流變行為,造就了此材料的高塑性。實驗數據顯示,「多級納米結構鋁合金」展現出很大的塑性變形,應變(strain)超過70%。

圖為位錯與納米金屬玻璃間相互作用的示意圖。一個位錯(‘┴’)在玻璃-晶粒2的界面產生,之後在晶粒2中移動。另外一個位錯(‘┴’)在晶粒1內移動,之後於納米金屬玻璃相邊界湮滅。紅色和藍色的圓形分別代表高活動性和較低活動性的原子。虛線代表高活動性原子的運動「軌跡」。黑色箭頭指示位錯的運動方向。(圖片來源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)
圖為位錯與納米金屬玻璃間相互作用的示意圖。一個位錯(‘┴’)在玻璃-晶粒2的界面產生,之後在晶粒2中移動。另外一個位錯(‘┴’)在晶粒1內移動,之後於納米金屬玻璃相邊界湮滅。紅色和藍色的圓形分別代表高活動性和較低活動性的原子。虛線代表高活動性原子的運動「軌跡」。黑色箭頭指示位錯的運動方向。(圖片來源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)

 

多級納米結構鋁合金」(上)、鋁基金屬玻璃(中)、納米晶鋁(下)微米柱樣品(1 μm直徑)的壓縮工程應力-應變曲綫,反映樣品的力學性能的對比。可見「多級納米結構鋁合金」能被壓縮,沒有出現裂痕,非常強韌。相反,其他兩者均出現斷裂的情況,塑性不佳。(圖片來源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)
多級納米結構鋁合金」(上)、鋁基金屬玻璃(中)、納米晶鋁(下)微米柱樣品(1 μm直徑)的壓縮工程應力-應變曲綫,反映樣品的力學性能的對比。可見「多級納米結構鋁合金」能被壓縮,沒有出現裂痕,非常強韌。相反,其他兩者均出現斷裂的情況,塑性不佳。(圖片來源: Nat Commun 10, 5099 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13087-4)

 

研究數據又顯示,在壓縮之下,「多級納米結構鋁合金」顯示出均勻變形:內部直徑約40納米的納米晶粒會被壓至大約8納米,而外部本約4納米厚的金屬玻璃相會被壓縮至大約1納米,兼且沒有出現剪切帶,證實了團隊上述有關壓制剪切帶形成的假設。

鋁合金用途廣泛

「這次研究成果成功展示了材料科學工程領域中,開發一種多級納米結構的新策略。」呂堅教授說。「這種研製鋁合金的方法,相信有助日後研發輕量並強韌的合金,以應用在具備微機電系統(MEMS)的柔性可穿戴器件中。」

研究結果早前於學術期刊《自然通訊》上發表,題為《Hierarchical nanostructured aluminum alloy with ultrahigh strength and large plasticity》。呂堅教授是論文的通訊作者。第一、二和三作者同樣來自城大,分別是研究員吳戈博士劉暢博士(吳、劉現為德國馬普學會鋼鐵研究所的博士後)和孫李剛博士(現為哈爾濱工業大學(深圳)助理教授)。其他來自城大的研究團隊成員包括城大香港高等研究院資深院士、大學傑出教授劉錦川教授、機械工程學系講座教授開執中教授陸洋副教授王慶博士(現為上海大學研究員)、韓斌博士(現為陕西科技大学副教授)、高級副研究員欒軍華博士、副研究員曹可和博士生成勵子

這項研究得到城大、香港研究資助局、國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。

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

(左起)孫李剛博士、吳戈博士及呂堅教授。他們上一個重大研究成果,超納鎂合金雙相材料之前榮登《自然》的封面。
(左起)孫李剛博士、吳戈博士及呂堅教授。他們上一個重大研究成果,超納鎂合金雙相材料之前榮登《自然》的封面。

 

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