金属所《Science》子刊：轻质高强度高稳定的无裂纹纳米多孔铝！

通过脱合金制备的纳米多孔金属在各种功能应用中受到广泛关注。在脱合金期间，反应性元素被选择性溶解，剩余的反应性较低的元素自行组织成均匀的纳米多孔结构。脱合金纳米多孔结构代表了一种新型的自组织强而轻的材料。纳米多孔金属通常表现出高强度但热稳定性差。由于大量过剩的表面能，纳米多孔金属（如金）即使在环境温度下也易于粗化。如何降低纳米多孔金属的密度并提高其稳定性，成为发展轻质高强多功能纳米多孔金属材料的关键。 

此外，铝的反应性如此之高，以至于纳米多孔铝的合成通常涉及非水溶液，例如离子液体 ，其中脱合金很慢。用于合成纳米多孔铝的合适的前体合金也受到限制。目前，纳米多孔 Al 只能从 Mg-Al 合金中脱合金，因为 Mg 是少数比 Al 反应性更强的元素之一，可以与 Al 形成合金形成前体合金。直接脱合金的 Mg-Al 合金可以生成结构非常精细的纳米多孔铝（韧带尺寸为 10 到 20 nm），但是由于铝韧带的快速氧化，它在大气中可燃。

最近，金属所金海军团队提出在金属铝中构筑纳米多孔结构，利用轻金属铝作为骨架降低纳米多孔金属密度，同时利用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。最终研究人员将脱合金腐蚀与置换反应（GRR）相结合制备出了无裂纹的纳米多孔铝样品，相关研究成果以“Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell”为题近日发表于Science Advances。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/28/eabb9471

研究发现，纳米多孔铝对烧结或致密化也很稳定，这通常通过晶界扩散进行，如压实多晶粉末的烧结。尽管纳米多孔铝含有高密度的晶界，但在 600°C 下退火 24 小时后，样品长度（和厚度）的变化非常小（2.5 至 3.0%）。纳米多孔铝的优异热稳定性源于韧带表面氧化铝层的存在。由于氧化物壳占据材料体积的很大一部分，并且天然氧化物层在其热稳定性和机械响应中起着重要作用，脱合金腐蚀与置换反应（GRR）制备的纳米多孔铝样品是纳米多孔 Al-Al2O3 核壳复合材料。

图 1 具有天然氧化物壳的纳米多孔铝的微观结构和热稳定性。

图2 纳米多孔铝的结构表征。

GRR 生成的纳米多孔 Al-Al2O3 复合材料没有裂纹，因此适用于微压缩和微拉伸测试。这些样品在压缩下是塑性的，对于所制备的纳米多孔 Al-Al2O3 复合材料，屈服强度由 0.5% 塑性应变下的应力定义，约为 73 MPa。退火样品的屈服强度没有降低，而是随着退火温度（Ta）的增加而增加。对于在 400 到 600°C 之间的温度下退火的样品，屈服强度增加到大约 110 MPa。

图3 纳米多孔Al-Al2O3复合材料的力学性能。

以前报道的纳米多孔金属的强度随着密度的降低而下降得更快，与传统泡沫金属相比，强度并不高。这些纳米多孔金属中纳米韧带的高强度已被脱合金结构的低承载效率所抵消 。而GRR 制备的纳米多孔 Al-Al2O3 复合材料的密度低于大多数以前的纳米多孔金属；相比之下，纳米多孔 Al-Al2O3 是通过脱合金制备的最强的纳米多孔材料之一，在拉伸和压缩下，尽管其结构尺寸比大多数纳米多孔金属粗。纳米多孔 Al-Al2O3 的强度也明显高于由纯铝和铝基复合材料组成的密度相似的传统泡沫。因此，纳米多孔 Al-Al2O3 的比强度（强度密度比）高于以前的多孔金属、多孔氧化铝复合材料和纳米多孔金属。

图4 纳米多孔铝强度与密度关系

总的来说，GRR制备的纳米多孔Al-Al2O3复合材料（或具有天然氧化物壳的纳米多孔Al）比具有相似密度的常规多孔金属和多孔Al-氧化物复合材料更强。纳米多孔Al-Al2O3复合材料也比通过脱合金制备的大多数纳米多孔金属更轻、更坚固、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、坚固且稳定的纳米多孔 Al-Al2O3 复合材料将用于多种功能应用，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。目前的研究还表明，将结构尺寸细化到亚微米或纳米尺度可能会大大提高多孔铝或泡沫铝在结构应用中的性能，因为结构细化不仅引入了尺寸效应，而且还放大了钝化氧化物对强度的影响。目前，纳米多孔铝基样品的厚度受到离子液体中 GRR 缓慢速率的限制。需要进一步的研究来开发更简单、更有效和更具成本效益的路线来制造大规模、高质量和更具延展性的纳米多孔铝基材料，这对于实际应用至关重要。