中科院金海军Sci. Adv.:具有表面氧化膜的轻质、高强、稳定的纳米多孔铝


【引言】

脱合金制备的纳米多孔金属在催化、超级电容器、能量存储、驱动和其他方面受到广泛关注。脱合金时,一部分组元被选择性溶解,剩余组元自组装形成均匀的纳米多孔结构。长期以来,人们一直期望对纳米多孔铝(Al)进行研究,这不仅是为了铝的低成本、轻质和潜在的应用,还因为铝表面会自发形成钝化的氧化铝(Al2O3)层。最近的研究表明,极薄的表面氧化铝层(约5 nm厚)可显著提高亚微米尺度铝柱的强度。如将多孔铝的结构尺寸减小到亚微米或纳米尺度,并结合氧化铝钝化层的作用,有可能获得兼顾优异热稳定性和高强度的高性能多孔材料。然而,这一结果尚未通过实验实现。铝的活性很高,以至于纳米多孔铝的合成通常涉及非水溶液,导致脱合金速率很慢,且合成纳米多孔铝的前体合金受到限制。目前,纳米多孔Al只能从Mg-Al合金中脱合金,因为Mg比Al活性更强,可以与Al形成前驱体合金。直接脱合金制备的Mg-Al合金可以生成结构尺寸极小的纳米多孔铝(韧带尺寸为10-20 nm),然而,由于铝韧带的快速氧化,它在空气中会发生自燃。最近,脱合金腐蚀/置换反应(GRR)方法成功地制备不自燃、无裂纹的纳米多孔铝,这为探索纳米多孔铝的机械性能提供了机会。

【成果简介】

近日,中国科学院金属研究所金海军研究员(通讯作者)等人发现韧带(微柱)尺寸减小到亚微米或纳米尺度时,其表面自发形成的氧化铝纳米壳层可稳定存在,并提高材料强度。在脱合金腐蚀/置换反应中自组装形成的纳米多孔Al-Al2O3核-壳复合材料,在自然环境条件下不易燃,且其结构在接近材料熔点温度是依旧能够稳定存在。相同密度下,这种材料比由纯铝或铝基复合材料组成的传统泡沫强度更高,比已报道的纳米多孔金属更轻、更稳定、比强度更高。相关成果以Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell”发表在Science Advances上。

【图文导读】

1 具有氧化物壳层的纳米多孔铝的微观结构和稳定性

(A-C)纳米多孔铝、退火前和退火后的准原位SEM图像;

(D-F)制备态纳米多孔铝和不同温度退火的纳米多孔铝的TEM图像;

(G,H)制备态及退火态纳米多孔铝样品的韧带尺寸和晶粒尺寸分布;

(I)制备态及退火态纳米多孔铝样品实物图。

2 纳米多孔Al-Al2O3复合材料的力学性能

(A,B)制备态及退火态纳米多孔Al-Al2O3复合材料的压缩和拉伸应力-应变曲线;

(C)纳米多孔Al-Al2O3复合材料的屈服强度随退火温度的变化图;

(D)纳米多孔Al-Al2O3复合材料的杨氏模量随退火温度的变化图。

3 纳米多孔Al-Al2O3复合材料的强度与密度的关系图

4 纳米多孔铝韧带表面的氧化层表征

(A-C)纳米多孔铝韧带的HAADF- STEM图像和EDS元素分布图;

(D)纳米多孔铝韧带的HRTEM图像;

(E,F)氧化铝层在600°C下退火 0.5 h之前和之后的准原位TEM 图像。

5 变形态纳米多孔Al-Al2O3复合材料的结构表征

(A)变形纳米多孔Al-Al2O3复合材料的明场TEM图像;

(B,C)变形韧带的表面和晶界处的HAADF-STEM图像。

6 Mg(Zn)合金采用GRR形成的纳米多孔Al(Zn)-Al2O3复合材料的结构表征

(A)纯Mg采用GRR形成的纳米多孔Al的SEM图像;

(B,C)Mg95Zn5采用GRR形成的纳米多孔Al(Zn)的SEM图像;

(D)为B中纳米多孔Al(Zn)退火后的SEM图像。

【小结】

相比于具有相似密度的常规多孔金属和多孔Al-氧化物复合材料,脱合金腐蚀/置换反应(GRR)制备的纳米多孔Al-Al2O3复合材料强度更高。纳米多孔Al-Al2O3复合材料也比脱合金制备的大多数纳米多孔金属更轻、更强和更稳定。Al纳米韧带表面的天然氧化层是纳米多孔Al-Al2O3复合材料具有优异热稳定性的主要原因。氧化层、韧带尺寸和拓扑结构的综合影响是这种材料具有高强度(和高比强度)的原因。预计轻质、高强且稳定的纳米多孔Al-Al2O3复合材料将用于功能应用,例如高温等离子体激元、微型热交换器以及电池和其他电化学装置的电极。

文献链接Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell(Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.abb9471)。

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