“顶住压力”的纳米柱打造高强度材料

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4000年以来,人类一直就在制造合金,以便得到称心如意的材料。传统工艺中,制作合金材料的方法是在冶炼过程中,将少量次要金属掺入主要金属中。比如,青铜就是用铜和少量的锡冶炼而成的,这种合金比纯铜或者纯锡都要坚固。


然而,高熵合金的成分与传统合金不同。过去,这种新型合金一直是材料科学家追逐的对象,因为高熵合金具有高强度、耐高温、抗腐蚀的特点。高熵合金通常由4到5种金属元素构成。由苏黎世联邦理工学院的纳米冶金教授Ralph Spolenak带领的科研团队用一种高熵合金制造出了一种只有3微米厚的薄膜,这种薄膜上布满了一些直径为100纳米到1微米的微型柱状结构。这种合金里包含了比例相同的铌、钼、钽和钨。


他们发现,这些由高熵材料制作成的“微型柱子”具有非常特殊的性质:它们的强度是用同样材料制成的合金块的10倍。此外,这些柱子在极大的压力下,高度可以缩减三分之一却不会断裂。这种在高压力下的形变性被称为延性。最后,这种材料还具有超强的耐热能力:它可以在摄氏1000度的高温下保持三天不发生表面或内部的形变,与同样条件下的纯钨的反应形成了鲜明的对比。在高温条件下,由微型柱子制作的高熵合金的强度和延性都比纯钨材料好得多,尽管后者的熔点要显著高于前者(大约是3400度对2900度)。



微型柱状结构的直径大约为1微米。左图为正常的形状,右图为受到了高压后的变形。图片来源:Zou et al. Nature Communications 2015


制作这种3微米薄膜的技术是磁控溅射技术(magnetron sputtering),这是一种通常用在微电子领域的涂层技术。这是这种技术第一次被用于制作高熵合金。制作方法是,先将上文提到的四种金属雾化,然后喷涂于一层基底材料上。接着,科学家使用聚焦离子束(FIB)技术在薄膜上切割出那些微型圆柱。

这种高熵合金材料不仅表面拥有盘错的微型柱状结构,内部还具有晶体结构。就像大多数晶体一样,这种材料也是由大量微小的晶体构成的。这种材料的特殊性在于,它的晶体非常的小,用科学术语描述,它们是纳米晶材料。“虽然纳米晶材料有许多可取之处,但是它们同时也有很多缺陷。”文章的第一作者,在Spolenak团队工作的博士生Yu Zou解释道,“比如,这些材料通常不耐高温,因为高温会使得单个晶体膨胀而改变材料本身的性质。”目前这篇文章已经发表在《自然·通信》(Nature Communications)上了。



新材料的颗粒非常细密(形成了纳米晶体管)。这幅图片是新材料在显微镜下的样子。不同颜色代表了不同的晶体,尺寸大约为30至130纳米。图片来源:Huan Ma / ScopeM / ETH Zurich)


根据这些科学家的说法,他们制造的高熵合金耐高温的特点可能与材料内部相对无序的原子分布有关。他们怀疑,单个晶体内边界表面原子的无序性使得晶体在高温时的增长不如其他材料。科学家希望在另外一个研究中证明的理论,他们要在那个研究中仔细研究这种高熵合金材料内部的原子分布。


Zou认为这种新材料能够应用于需要高压力和高温的环境。


来源:苏黎世联邦理工学院

文献:Zou Y, Ma H, Spolenak R: Ultrastrong ductile and stable high-entropy alloys at small scales. Nature Communications, 10 July 2015, doi:10.1038/ncomms8748


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