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研究人員已經(jīng)能夠制造出與不銹鋼強度相匹敵的超高強度鋁合金，這是一項具有潛在工業(yè)應(yīng)用前景的技術(shù)。
“大多數(shù)輕量化鋁合金材質(zhì)較軟，固有的機械強度較低，這阻礙了它在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用?！?Purdue大學(xué)材料工程學(xué)院教授Xinghang Zhang說：“新型輕質(zhì)高強鋁合金與不銹鋼相比，將有效的推動汽車和航空航天工業(yè)發(fā)生革命性的變化?！?
以Purdue大學(xué)博士后研究員Sichuang Xue和博士生Qiang Li為首的研究團隊在兩篇新的研究論文中詳細說明了他們的研究成果，表示改變鋁的微觀結(jié)構(gòu)，將賦予其更大的強度和更高的延展性。
最近的一篇論文發(fā)表在1月22日的《先進材料》雜志上。十一月早些時候的論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
新型高強度鋁合金的產(chǎn)生是通過引入“堆垛層錯”或晶體結(jié)構(gòu)中的扭曲產(chǎn)生的。雖然這些金屬在銅和銀等金屬中很容易產(chǎn)生，但其“堆垛層錯能”很難在鋁中引入。
金屬的晶格是由一系列重復(fù)的原子層組成的。如果缺少一層，就稱為堆垛層錯。同時，所謂的“孿晶界”由兩層堆垛層錯組成。張說， 一種被稱為9R堆垛層錯是特別有前途的。
“研究表明，孿晶界難以引入鋁金屬。鋁中9R相的形成更是由于其高的堆垛層錯能量而難以形成?！睆堈f：“所以研究人員想同時引入納米孿晶和9R相納米晶鋁增加強度和韌性，提高熱穩(wěn)定性?！?
“這些結(jié)果說明了制造出的鋁合金可與不銹鋼相媲美，甚至比不銹鋼更堅固?！彼f：“在這一發(fā)現(xiàn)中有許多潛在的商業(yè)影響?！?
Nature雜志報道了鋁中“休克”的9R相，Xue是文章的第一作者。研究人員通過用二氧化硅微丸轟擊超薄鋁膜從而屈服9R相。
“在這里，通過使用激光撞擊測試技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)可在幾十納米的寬度形變誘導(dǎo)9R?！盭ue說。
微晶測試是由Nature雜志中的共同作者，Rice大學(xué)的Edwin L. Thomas教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組進行的。激光束使粒子以每秒600米的速度噴射出去。該程序極大地加速了抗沖擊應(yīng)用的各種合金篩選試驗。
準備利用透射電子顯微鏡分析的樣品。圖片來源：Purdue大學(xué)影像/ Marshall Farthing
“我想在短時間內(nèi)篩選很多材料。”張說：“這種方法允許我們以比其他可能低得多的代價做到這一點?！?
Li是先進材料研究論文的主要作者，文中描述了利用磁控濺射的方法將鐵原子引入鋁的晶體結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)9R，而不是通過 “休克”的方式。鐵也可以用其他技術(shù)，如鑄造技術(shù)引入鋁，新發(fā)現(xiàn)可能會擴大到工業(yè)應(yīng)用中。
相對比高強度鋼來說，由此產(chǎn)生的“納米孿晶”鋁鐵合金涂層有望成為有史以來最強大的鋁合金。
“內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校王健教授的小組進行的分子動力學(xué)模擬顯示了9R相和納米顆粒在高強度作用下的結(jié)果，其加工硬化能力，揭示了鋁9R相的形成機制。”張說：“了解新的變形機制將有助于我們設(shè)計新的高強度、延展性的金屬材料，如鋁合金?！?
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