《Nature》：华裔科学家团队研发出超级强度轻金属材料
原创
2015-12-30
X-MOL
金属是人类生活中最重要的材料之一，无论是飞机汽车，还是桥梁工具，金属都是不可缺少的主要材料。而对于这种材料，一般来说其强度和密度之间都存在很大的相关性，也就是说，越是强度高的金属，其密度也很大。
最近，以加州大学洛杉矶分校机械与航空工程学院的李晓春教授为首的一个研究团队，开发出了一种新型的轻巧金属材料，具有超级强度，也就是说具有极高的比强度和模量，即刚度重量比。
这种新的金属是在镁金属中注入了一种密集分布的陶瓷碳化硅纳米颗粒。它可以用来制造更轻的飞机，航天器，和汽车，有助于提高燃料效率，以及应用于移动电子设备和生物医学装置。
图片来源：UCLA Scifacturing Laboratory
为了创造这种具有超级强度而轻巧的金属，该研究小组发现了一种使纳米粒子在熔融金属中分散且稳定的新的方法。他们还研发出了能够可扩展的制造方法，为制造更高性能轻质金属铺平了道路。这项研究成果发表在《Nature》杂志上（Processing and properties of magnesium containing a dense uniform dispersion of nanoparticles. Nature, 2015, 528, 539–543）。
“以前已经有人提出了加入纳米粒子能提高金属的强度而不破坏其可塑性，特别是对于镁这样的轻金属，但直到现在为止，还没有哪个实验小组能够成功地将陶瓷纳米颗粒分散在熔融金属中，”李晓春说。“通过结合物理学和材料加工科学，我们的方法为在许多不同种类的金属中均匀注入密集的纳米粒子以提高其性能铺平了一条新的道路，以满足当今社会能源和可持续发展的挑战。”
结构金属是可以承载重量的金属，它们被用于建筑物和车辆中。镁的密度只有铝的三分之二，是最轻的结构金属。碳化硅是一种超硬陶瓷，常用于工业中的切割刀片。这个研究团队的技术使大量的小于100纳米的碳化硅颗粒注入到镁金属中，从而显著地增加其强度，刚度，塑性和在高温下的耐用性。
这些研究人员研发的新的注入碳化硅的镁金属材料表现出了创纪录的比强度，即材料在破裂前所能承受的最大重量，以及材料的刚度重量比。它也显示出了了优良的高温稳定性。
陶瓷颗粒一直被认为是使金属更强的潜在方法。然而，向金属中注入微米尺度的陶瓷颗粒往往会导致其塑性的损失。
与此相反，纳米级颗粒却可以增加金属的强度，同时保持甚至提高金属的可塑性。但纳米级的陶瓷颗粒易于聚集在一起，而不是均匀分散开来，这是由于小颗粒之间互相吸引的作用。
为了解决这个问题，研究人员将这些纳米颗粒分散在熔融的镁锌合金中。这种新的纳米颗粒分散方式依赖于纳米粒子运动的动能。这种机制稳定了粒子的分散性和防止了纳米粒子结块。为了进一步提高新金属的强度，研究人员还使用了一种叫做“高压扭转”的技术对其进行压缩。
“我们目前获得的成果只是接触到一个巨大宝藏的表面，这个宝藏就是一类具有革命性的性能和功能的新的金属，”李晓春说。
这种新金属（更准确地应称为金属纳米复合材料）含有大约14％的碳化硅颗粒和86％的镁。研究人员指出，镁是一种储量丰富的金属资源，它的扩大使用不会造成环境破坏。
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发表于 2015-12-30 07:08
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