當(dāng)“安靜”的鋁制品遇見(jiàn)“淘氣”的氫原子，為何“肌膚”表面就會(huì)冒出“痘痘”？

       這一謎團(tuán)已存在超過(guò)50年。

       西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納尺度材料行為研究中心的科研人員破解了這一難題。此項(xiàng)成果6月29日在線發(fā)表在世界著名期刊《自然-材料》上。

       人們知道，生活中常見(jiàn)的鋁制品通常穩(wěn)定耐用，因?yàn)樗谋砻鏁?huì)自然形成一層致密而堅(jiān)硬的氧化鋁保護(hù)膜，俗稱“剛玉”。但在含氫環(huán)境中，鋁制品常常會(huì)在表面鼓出氣泡，最終導(dǎo)致氧化膜保護(hù)層脫落，乃至材料失效。這一現(xiàn)象，被稱為“氫鼓泡”。

      西安交大科研人員發(fā)現(xiàn)，原來(lái)，對(duì)于“纖瘦”的氫原子而言，剛玉中的原子間隙如此之大，以至于它們可以在其中來(lái)去自如。氫原子的隨性“游走”會(huì)破壞金屬鋁和剛玉之間“手拉手”的緊密聯(lián)系，從而使一部分鋁原子“重獲自由”。這些鋁原子也會(huì)在氧化物和金屬鋁的界面上自由運(yùn)動(dòng)，并在金屬鋁的一側(cè)形成很多微小的坑。隨著坑的不斷長(zhǎng)大，氫原子擁有足夠的空間重新結(jié)合形成氫分子并對(duì)氧化膜產(chǎn)生壓力。當(dāng)坑的直徑大到某一臨界尺寸時(shí)，氧化膜就會(huì)被撐得發(fā)生塑性變形，并向外鼓出形成氣泡。而氣泡密度足夠大時(shí)，氧化膜保護(hù)層便會(huì)脫落，最終導(dǎo)致材料失效。

      這種氫致界面失效是在石化、海洋、核、航空航天及半導(dǎo)體等工業(yè)里常見(jiàn)的金屬材料失效原因之一。盡管此前不同國(guó)度的研究人員進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)其原子尺度的機(jī)理一直不甚明了。傳統(tǒng)的表面鼓泡理論只能解釋氣泡的生長(zhǎng)，對(duì)于氣泡的形核則缺乏理論及實(shí)驗(yàn)證據(jù)。西安交大微納中心的這一研究發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了氫致界面失效現(xiàn)象起源的實(shí)驗(yàn)和理論空白，有助于人們找到防止氫致界面失效的方法，提高材料在含氫環(huán)境中的服役壽命。

       “舉一個(gè)激動(dòng)人心的例子：太陽(yáng)帆，”微納中心博士生解德剛介紹說(shuō)，宇宙中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%以上，人類造的任何飛行器在太空航行時(shí)都必須考慮氫對(duì)材料性能的影響。太陽(yáng)帆的原理就是利用大面積鏡面般光滑的薄膜反射太陽(yáng)光以獲得動(dòng)力航行。目前最有可能的薄膜材料就是鋁箔，科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到太空環(huán)境中鋁箔表面易發(fā)生鼓泡的現(xiàn)象，而太陽(yáng)帆表面一旦發(fā)生鼓泡，其反射能力就會(huì)大打折扣，影響飛行器的動(dòng)力性能。“希望我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)于太陽(yáng)帆的防氫設(shè)計(jì)有著積極的指導(dǎo)意義”，解德剛對(duì)此十分期待。

      “這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)很多與氫有關(guān)的未解之謎都有著重要的啟示，”微納中心主任單智偉教授告訴記者，“比如半導(dǎo)體芯片中的導(dǎo)線基底界面劣化、電廠的汽輪機(jī)葉片的氧化皮脫落、核電站中有大量的質(zhì)子輻射環(huán)境以及高溫水汽環(huán)境等等。”

       此項(xiàng)研究中，微納中心的科研人員一改以往楔形的樣品設(shè)計(jì)，采用微納尺度的金屬鋁圓柱體，通過(guò)環(huán)境透射電子顯微鏡觀察氫氣氛圍下金屬和氧化界面的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，以令人信服的證據(jù)無(wú)可爭(zhēng)辯地證明了氫致表面氧化物鼓泡的晶向依賴性。

       據(jù)了解，絕大多數(shù)金屬制品在實(shí)際使用時(shí)表面都會(huì)有一層保護(hù)膜，有的是自然形成，有的是人為添加。這層保護(hù)膜通常起著防氧化、防腐蝕、耐磨損等作用。一旦被破壞，材料的氧化、腐蝕、磨損就會(huì)加速，發(fā)生到一定程度就會(huì)使材料徹底失效。單智偉教授指出，降低表面防護(hù)層的粗糙度，選擇合適的金屬基底取向，對(duì)界面進(jìn)行有目的改性等可有效減緩甚至防止氫致界面失效的發(fā)生。接下來(lái)，研究小組將繼續(xù)聚焦氫致材料失效機(jī)理研究，致力于進(jìn)一步推動(dòng)人們對(duì)氫影響的認(rèn)知，以減少和避免由氫脆等材料失效所造成的巨額經(jīng)濟(jì)損失和重大安全事故。


 

責(zé)任編輯：王元

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