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原创丨米测MeLab
编辑丨风云
研究背景
现代工业的几乎所有领域对轻质、高强度材料的需求都在稳步增长。即使只将结构材料的重量减轻几个百分点，例如在钢中添加铝或在铝合金中添加锂，也可以显著提高能源效率并减少运输应用中的排放。引入空隙可能是最有效和最广泛适用的轻量化方法。
关键问题
然而，在材料中引入空隙主要存在以下问题：
1、引入空隙会严重降低材料的强度和延展性
正如在粉末冶金和增材制造中广泛观察到的那样，即使只有几个空隙也会严重降低材料的强度和延展性。空隙通常被视为是需要在制造过程中消除并在大多数材料的整个使用寿命中需要预防的缺陷。
2、纳米级空隙的研究受到合成技术的阻碍
空隙的表面也可以与位错发生弹性相互作用，如果空隙足够小，这种强化可能会大到足以克服空隙空间的软化效应。然而，这类实验研究受到合成具有均匀分散的纳米空隙的材料的挑战的阻碍。
新思路
有鉴于此，中科院金属所金海军研究员团队等人发现当空隙缩小到亚微米或纳米级时，含有高达 10% 球形空隙的金属（金）不会在拉伸下过早断裂。相反，分散的纳米空隙增加了材料的强度和延展性，同时减轻了其重量。除了抑制应力或应变集中外，这种结构还提供巨大的表面积并促进表面位错相互作用，从而实现强化和额外的应变硬化，进而实现增韧。将空隙从裂纹状有害缺陷转化为有益的“成分”，为开发新型轻质高性能材料提供了一种廉价且环保的方法。
技术方案：
1、合成并表征了具有均匀纳米多孔结构的纯金样品
作者通过腐蚀、压缩和退火工艺制备了纳米空隙分散金，具有高相对密度和均匀纳米空隙，展现优异压缩塑性和微观结构可控性。
2、分析了纳米空隙分散金（NVD Au）的拉伸机械性能
研究发现NVD Au具有超常的强度和延展性，屈服强度提高107%，均匀伸长率最高可达30%，同时实现材料轻量化，减重超10%。
3、解析了表面位错相互作用引起的强化机制
作者证实了NVD Au的超常机械性能源于纳米空隙，这些空隙约束位错，促进塑性变形，并通过位错与空隙相互作用增强材料强度。
4、分析了NVD Au的延展性、应变硬化率和临界空隙尺寸
作者表明NVD Au的高延展性源于其纳米空隙的均匀分布和球形形状，有效减少应力集中，提高应变硬化率，实现强度与延展性的优化平衡，空隙的临界尺寸介于200 纳米到几微米之间。
技术优势：
1、成功制备了具有均匀分散的高密度纳米空隙的金
作者通过腐蚀、压缩、热退火等工艺成功制备了具有均匀分散的高密度纳米空隙的纯金 (Au)。与完全致密的 Au 相比，合成的材料同时表现出增强的强度和延展性。
2、证实了分散的纳米空隙可用于设计轻质、高性能材料
作者证实了分散的纳米空隙增加了材料的强度和延展性，通过提供巨大的表面积并促进表面位错相互作用，从而实现强化和额外的应变硬化，实现增韧。纳米空隙可以作为零质量强化成分，用于设计轻质、高性能和“普通”的材料。
技术细节
合成与微观结构
作者通过腐蚀、压缩和热退火等工艺，成功制备了具有均匀纳米多孔结构的纯金样品。这种纳米空隙分散金（NVD Au）展现出独特的性能，其相对密度高达0.95，纳米空隙尺寸均匀，直径范围从几纳米到50纳米，平均约18纳米。NVD Au在压缩下可以塑性变形并致密化，与传统的易碎纳米多孔金相比，表现出更好的压缩塑性。此外，通过控制压缩应变和退火过程，可以调节NVD Au的相对密度和空隙尺寸，实现微观结构的精确调控。这种材料的制备方法为设计具有特定性能的新型材料提供了新途径，并有望在催化、传感、生物医学等领域得到广泛应用 。
图 纳米空隙分散 (NVD) Au的合成及微观结构
拉伸机械性能
作者研究发现，所制备的纳米空隙分散金（NVD Au）在拉伸测试中表现出色，其强度和延展性均优于完全致密的纯金。NVD Au的相对密度约为0.95，晶粒尺寸约10毫米，平均空隙尺寸在18至180纳米之间可调。实验发现，随着空隙尺寸的减小，材料的屈服强度增加，例如，D约18纳米的NVD Au的屈服强度比完全致密金高107%，强度重量比增加约118%。同时，部分NVD Au样品展现出比完全致密金更高的延展性，如D为180纳米的样品均匀伸长率是完全致密金的两倍。此外，NVD Au在保持相似延展性的同时，强度也提高，且材料重量减轻了10%以上。这些结果表明，分散的纳米空隙能显著增强和增韧材料，为材料轻量化和强化提供了新策略。
图 NVD Au的拉伸行为
表面位错相互作用引起的强化
纳米空隙分散金（NVD Au）展现出卓越的机械性能，其强度超越传统材料归因于纳米空隙的存在。TEM图像揭示位错在纳米空隙中被约束或固定，且空隙促进位错塑性变形。空隙间距和直径决定了位错的临界解析剪应力，影响材料的整体强度。NVD Au中的强化效果与传统沉淀硬化或纳米颗粒硬化不同，是由于表面位错相互作用和空隙空间软化之间的竞争。位错线张力的降低和位错解离可能解释了NVD Au强化与传统理论的偏差。
图 表面位错相互作用
延展性、应变硬化率和临界空隙尺寸
NVD Au的优异延展性是其内在特性，与传统观点相反，其延展性随空隙尺寸增加而提高，表现出与传统强化材料不同的强度与延展性权衡。NVD Au在大塑性应变下维持较高应变硬化率，与传统材料相比，其应变硬化率与伸长率的相关性一致，表明提高应变硬化率有助于提高延展性。TEM检查发现，NVD Au中空隙-位错相互作用可能阻碍了低能位错胞的形成，从而在高应变下保持了较高的加工硬化率，这有助于实现强度和伸长率的优异组合。这种材料的强化效果与空隙尺寸、晶粒尺寸和位错密度等因素有关，为材料轻量化和强化提供了新思路。进一步地，作者表明与具有不规则形状或聚集空隙的传统材料相比，NVD Au中纳米空隙的近球形形状和均匀分布有利于最大限度地减少应力集中，抑制现有空隙的增长和聚结，从而延缓宏观材料的断裂。虽然优化空隙的形状和分布肯定可以抑制过早失效，但小的空隙尺寸对于空隙在NVD强化中的有益作用是决定性的，作者表明临界尺寸介于 200 纳米到几微米之间，接近单晶的临界尺寸。
图 NVD Au的应变硬化率
展望
总之，作者证明了将分散的纳米空隙加入纯金中可以提高其强度，同时可能改善其延展性。这些分散的纳米空隙还将纯金密度降低 10% 以上。作者在不改变材料成分或相的情况下实现了纳米空隙弥散强化。这种方法可能是一种环境友好且具有成本效益的策略，同时在很大程度上保留了材料的物理和化学特性及其耐腐蚀性。虽然纳米空隙的强化效果可能不如硬纳米颗粒的强化效果那么有效，但可以通过表面改性（例如表面偏析甚至沉淀）来改善。作者在纳米多孔金中成功地证明了这一点，当表面经过电化学改性时，其强度可以提高约 100％。
参考文献：
Jiaji Chen, et al. Strengthening gold with dispersed nanovoids. Science, 2024, 385(6709):629-633. DOI: 10.1126/science.abo7579
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo7579
