納米多孔金屬是脫合金腐蝕過程中自組裝形成的新型納米材料。該材料具有納米尺度孔棱尺寸和巨大比表面積，且可制成毫米以上宏觀尺度樣品。納米多孔金屬不僅在催化、感應(yīng)、驅(qū)動(dòng)、光學(xué)、電化學(xué)能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等多個(gè)領(lǐng)域具有重要發(fā)展前景，而且是一種潛在的輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、力學(xué)性能可往復(fù)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)-功能一體化新材料。受制于制備方法，當(dāng)前納米多孔金屬多限于金、鉑、銅、鎳等貴金屬或較重元素金屬體系，其密度高于常規(guī)泡沫金屬材料。此外，納米多孔金屬熱穩(wěn)定性一般較差，在表面過剩自由能的驅(qū)動(dòng)下易于發(fā)生結(jié)構(gòu)粗化。如何降低納米多孔金屬的密度并提高其穩(wěn)定性，是發(fā)展輕質(zhì)高強(qiáng)多功能納米多孔金屬材料的關(guān)鍵問題和難題。
最近，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心金海軍研究員團(tuán)隊(duì)在這一研究方向上取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出在金屬鋁中構(gòu)筑納米多孔結(jié)構(gòu)，一方面利用輕金屬鋁作為骨架相可降低納米多孔金屬密度，另一方面鋁表面自發(fā)形成的極薄氧化膜可抑制表面擴(kuò)散，提高材料熱穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell”為題發(fā)表于《科學(xué) 進(jìn)展》（Science Advances）。
該團(tuán)隊(duì)將脫合金腐蝕與置換反應(yīng)（GRR）相結(jié)合，成功制備出無裂紋的高質(zhì)量納米多孔鋁樣品。其孔棱直徑約為200納米，且孔棱表面覆蓋有自發(fā)生成且可自修復(fù)的氧化鋁納米殼層（圖1）。該納米氧化膜不僅阻止材料進(jìn)一步氧化和自燃，而且大幅降低表面擴(kuò)散速率，從而提高納米多孔鋁的熱穩(wěn)定性。該材料納米多孔結(jié)構(gòu)在接近鋁熔點(diǎn)溫度下仍能保持穩(wěn)定而不發(fā)生顯著結(jié)構(gòu)粗化。由于該材料較好的多孔結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)性和優(yōu)異的承載效率，以及表面氧化膜的強(qiáng)化作用，納米多孔鋁在拉伸和壓縮條件下均表現(xiàn)出高強(qiáng)度。其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于同等密度傳統(tǒng)泡沫金屬材料。與已報(bào)道的納米多孔金屬相比，納米多孔鋁不僅更穩(wěn)定，而且密度更低，比強(qiáng)度更高（圖2）。該研究不僅為發(fā)展新型輕質(zhì)高強(qiáng)度新材料提供新思路，也為探索高溫等極限條件下納米多孔金屬功能應(yīng)用提供契機(jī)。
該工作由沈陽材料科學(xué)國家研究中心楊威博士研究生（第一作者）、羅兆平副研究員、解輝助理研究員、金海軍研究員（通訊作者）與南京理工大學(xué)鮑偉康博士研究生、尤澤升副教授共同完成，該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助。
圖1 納米多孔鋁的結(jié)構(gòu)表征。（A-C）納米多孔鋁孔棱的HAADF-STEM圖像和EDS元素分布圖；（D）納米多孔鋁孔棱的HRTEM圖像；（E，F(xiàn)）氧化鋁層在600 C下退火 0.5h前后的準(zhǔn)原位TEM 圖像。
圖2 納米多孔鋁（Al-Al2O3復(fù)合材料）的強(qiáng)度與密度關(guān)系圖。
