Purdue大学博士后研究助理Sichuang Xue（左侧）和博士生Qiang Li正在研制超高强铝合金样品。图片来源：Purdue大学供图/ Marshall Farthing

    研究人员已经能够制造出与不锈钢强度相匹敌的超高强度铝合金，这是一项具有潜在工业应用前景的技术。

    “大多数轻量化铝合金材质较软，固有的机械强度较低，这阻碍了它在工业中的广泛应用。” Purdue大学材料工程学院教授Xinghang Zhang说：“新型轻质高强铝合金与不锈钢相比，将有效的推动汽车和航空航天工业发生革命性的变化。”

    以Purdue大学博士后研究员Sichuang Xue和博士生Qiang Li为首的研究团队在两篇新的研究论文中详细说明了他们的研究成果，表示改变铝的微观结构，将赋予其更大的强度和更高的延展性。

    最近的一篇论文发表在1月22日的《先进材料》杂志上。十一月早些时候的论文发表在《自然通讯》杂志上。

    新型高强度铝合金的产生是通过引入“堆垛层错”或晶体结构中的扭曲产生的。虽然这些金属在铜和银等金属中很容易产生，但其“堆垛层错能”很难在铝中引入。

    金属的晶格是由一系列重复的原子层组成的。如果缺少一层，就称为堆垛层错。同时，所谓的“孪晶界”由两层堆垛层错组成。张说， 一种被称为9R堆垛层错是特别有前途的。

    “研究表明，孪晶界难以引入铝金属。铝中9R相的形成更是由于其高的堆垛层错能量而难以形成。”张说：“所以研究人员想同时引入纳米孪晶和9R相纳米晶铝增加强度和韧性，提高热稳定性。”

    现在，研究人员已经掌握了同时在铝中引入9R相和纳米孪晶的方法。

    “这些结果说明了制造出的铝合金可与不锈钢相媲美，甚至比不锈钢更坚固。”他说：“在这一发现中有许多潜在的商业影响。”

    Nature杂志报道了铝中“休克”的9R相，Xue是文章的第一作者。研究人员通过用二氧化硅微丸轰击超薄铝膜从而屈服9R相。

    “在这里，通过使用激光撞击测试技术，我们发现可在几十纳米的宽度形变诱导9R。”Xue说。

    微晶测试是由Nature杂志中的共同作者，Rice大学的Edwin L. Thomas教授领导的研究小组进行的。激光束使粒子以每秒600米的速度喷射出去。该程序极大地加速了抗冲击应用的各种合金筛选试验。

准备利用透射电子显微镜分析的样品。图片来源：Purdue大学影像/ Marshall Farthing

    “我想在短时间内筛选很多材料。”张说：“这种方法允许我们以比其他可能低得多的代价做到这一点。”

    Li是先进材料研究论文的主要作者，文中描述了利用磁控溅射的方法将铁原子引入铝的晶体结构中诱导9R，而不是通过 “休克”的方式。铁也可以用其他技术，如铸造技术引入铝，新发现可能会扩大到工业应用中。

    相对比高强度钢来说，由此产生的“纳米孪晶”铝铁合金涂层有望成为有史以来最强大的铝合金。

    “内布拉斯加大学林肯分校王健教授的小组进行的分子动力学模拟显示了9R相和纳米颗粒在高强度作用下的结果，其加工硬化能力，揭示了铝9R相的形成机制。”张说：“了解新的变形机制将有助于我们设计新的高强度、延展性的金属材料，如铝合金。”

    一个潜在的应用可能是设计用于电子和汽车工业的耐磨耐蚀铝合金涂层。

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责任编辑：殷鹏飞

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