金海军课题组：高强度高稳定性纳米多孔铝制备取得进展

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纳米多孔金属是脱合金腐蚀过程中自组装形成的新型纳米材料。该材料具有纳米尺度孔棱尺寸和巨大比表面积，且可制成毫米以上宏观尺度样品。纳米多孔金属不仅在催化、感应、驱动、光学、电化学能量存储与转换等多个领域具有重要发展前景，而且是一种潜在的轻质、高比强度、力学性能可往复调节的结构-功能一体化新材料。受制于制备方法，当前纳米多孔金属多限于金、铂、铜、镍等贵金属或较重元素金属体系，其密度高于常规泡沫金属材料。此外，纳米多孔金属热稳定性一般较差，在表面过剩自由能的驱动下易于发生结构粗化。如何降低纳米多孔金属的密度并提高其稳定性，是发展轻质高强多功能纳米多孔金属材料的关键问题和难题。
　　最近，金属所沈阳材料科学国家研究中心金海军研究员团队在这一研究方向上取得进展。该团队提出在金属铝中构筑纳米多孔结构，一方面利用轻金属铝作为骨架相可降低纳米多孔金属密度，另一方面铝表面自发形成的极薄氧化膜可抑制表面扩散，提高材料热稳定性。相关成果以“Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell”为题发表于《科学·进展》（Science Advances）。

图1 纳米多孔铝的结构表征。（A-C）纳米多孔铝孔棱的HAADF-STEM图像和EDS元素分布图；（D）纳米多孔铝孔棱的HRTEM图像；（E，F）氧化铝层在600°C下退火 0.5h前后的准原位TEM 图像。

图2 纳米多孔铝（Al-Al2O3复合材料）的强度与密度关系图。

　　该团队将脱合金腐蚀与置换反应（GRR）相结合，成功制备出无裂纹的高质量纳米多孔铝样品。其孔棱直径约为200纳米，且孔棱表面覆盖有自发生成且可自修复的氧化铝纳米壳层（图1）。该纳米氧化膜不仅阻止材料进一步氧化和自燃，而且大幅降低表面扩散速率，从而提高纳米多孔铝的热稳定性。该材料纳米多孔结构在接近铝熔点温度下仍能保持稳定而不发生显著结构粗化。由于该材料较好的多孔结构联结性和优异的承载效率，以及表面氧化膜的强化作用，纳米多孔铝在拉伸和压缩条件下均表现出高强度。其强度远高于同等密度传统泡沫金属材料。与已报道的纳米多孔金属相比，纳米多孔铝不仅更稳定，而且密度更低，比强度更高（图2）。该研究不仅为发展新型轻质高强度新材料提供新思路，也为探索高温等极限条件下纳米多孔金属功能应用提供契机。
　　该工作由沈阳材料科学国家研究中心杨威博士研究生（第一作者）、罗兆平副研究员、解辉助理研究员、金海军研究员（通讯作者）与南京理工大学鲍伟康博士研究生、尤泽升副教授共同完成，该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。


       文章来源：金属所
       金海军，中国科学院金属研究所研究员。1997年毕业于浙江大学材料系，获金属材料及热处理专业学士学位。2004年于中国科学院金属研究所获得材料学博士学位，毕业后留所任助理研究员。2005年至2010年在德国卡尔斯鲁厄研究中心纳米技术研究所从事博士后研究，其间曾获德国洪堡基金会资助。2010年7月入选中科院“百人计划”项目，回到金属所任研究员和创新课题组组长。目前主要研究方向为纳米多孔金属材料的制备和表征、力学性能、以及表面诱发电化学驱动、力性往复调节等功能应用探索。研究成果发表于Science，Acta Mater.，Nano Lett.等期刊。