特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
現代工業的幾乎所有領域對輕質、高強度材料的需求都在穩步增長。即使只將結構材料的重量減輕幾個百分點，例如在鋼中添加鋁或在鋁合金中添加鋰，也可以顯著提高能源效率并減少運輸應用中的排放。引入空隙可能是最有效和最廣泛適用的輕量化方法。
關鍵問題
然而，在材料中引入空隙主要存在以下問題：
1、引入空隙會嚴重降低材料的強度和延展性
正如在粉末冶金和增材制造中廣泛觀察到的那樣，即使只有幾個空隙也會嚴重降低材料的強度和延展性。空隙通常被視為是需要在制造過程中消除并在大多數材料的整個使用壽命中需要預防的缺陷。
2、納米級空隙的研究受到合成技術的阻礙
空隙的表面也可以與位錯發生彈性相互作用，如果空隙足夠小，這種強化可能會大到足以克服空隙空間的軟化效應。然而，這類實驗研究受到合成具有均勻分散的納米空隙的材料的挑戰的阻礙。
新思路
有鑒于此，中科院金屬所金海軍研究員團隊等人發現當空隙縮小到亞微米或納米級時，含有高達 10% 球形空隙的金屬（金）不會在拉伸下過早斷裂。相反，分散的納米空隙增加了材料的強度和延展性，同時減輕了其重量。除了抑制應力或應變集中外，這種結構還提供巨大的表面積并促進表面位錯相互作用，從而實現強化和額外的應變硬化，進而實現增韌。將空隙從裂紋狀有害缺陷轉化為有益的“成分”，為開發新型輕質高性能材料提供了一種廉價且環保的方法。
技術方案：
1、合成并表征了具有均勻納米多孔結構的純金樣品
作者通過腐蝕、壓縮和退火工藝制備了納米空隙分散金，具有高相對密度和均勻納米空隙，展現優異壓縮塑性和微觀結構可控性。
2、分析了納米空隙分散金（NVD Au）的拉伸機械性能
研究發現NVD Au具有超常的強度和延展性，屈服強度提高107%，均勻伸長率最高可達30%，同時實現材料輕量化，減重超10%。
3、解析了表面位錯相互作用引起的強化機制
作者證實了NVD Au的超常機械性能源于納米空隙，這些空隙約束位錯，促進塑性變形，并通過位錯與空隙相互作用增強材料強度。
4、分析了NVD Au的延展性、應變硬化率和臨界空隙尺寸
作者表明NVD Au的高延展性源于其納米空隙的均勻分布和球形形狀，有效減少應力集中，提高應變硬化率，實現強度與延展性的優化平衡，空隙的臨界尺寸介于200 納米到幾微米之間。
技術優勢：
1、成功制備了具有均勻分散的高密度納米空隙的金
作者通過腐蝕、壓縮、熱退火等工藝成功制備了具有均勻分散的高密度納米空隙的純金 (Au)。與完全致密的 Au 相比，合成的材料同時表現出增強的強度和延展性。
2、證實了分散的納米空隙可用于設計輕質、高性能材料
作者證實了分散的納米空隙增加了材料的強度和延展性，通過提供巨大的表面積并促進表面位錯相互作用，從而實現強化和額外的應變硬化，實現增韌。納米空隙可以作為零質量強化成分，用于設計輕質、高性能和“普通”的材料。
技術細節
合成與微觀結構
作者通過腐蝕、壓縮和熱退火等工藝，成功制備了具有均勻納米多孔結構的純金樣品。這種納米空隙分散金（NVD Au）展現出獨特的性能，其相對密度高達0.95，納米空隙尺寸均勻，直徑范圍從幾納米到50納米，平均約18納米。NVD Au在壓縮下可以塑性變形并致密化，與傳統的易碎納米多孔金相比，表現出更好的壓縮塑性。此外，通過控制壓縮應變和退火過程，可以調節NVD Au的相對密度和空隙尺寸，實現微觀結構的精確調控。這種材料的制備方法為設計具有特定性能的新型材料提供了新途徑，并有望在催化、傳感、生物醫學等領域得到廣泛應用 。
圖 納米空隙分散 (NVD) Au的合成及微觀結構
拉伸機械性能
作者研究發現，所制備的納米空隙分散金（NVD Au）在拉伸測試中表現出色，其強度和延展性均優于完全致密的純金。NVD Au的相對密度約為0.95，晶粒尺寸約10毫米，平均空隙尺寸在18至180納米之間可調。實驗發現，隨著空隙尺寸的減小，材料的屈服強度增加，例如，D約18納米的NVD Au的屈服強度比完全致密金高107%，強度重量比增加約118%。同時，部分NVD Au樣品展現出比完全致密金更高的延展性，如D為180納米的樣品均勻伸長率是完全致密金的兩倍。此外，NVD Au在保持相似延展性的同時，強度也提高，且材料重量減輕了10%以上。這些結果表明，分散的納米空隙能顯著增強和增韌材料，為材料輕量化和強化提供了新策略。
圖 NVD Au的拉伸行為
表面位錯相互作用引起的強化
納米空隙分散金（NVD Au）展現出卓越的機械性能，其強度超越傳統材料歸因于納米空隙的存在。TEM圖像揭示位錯在納米空隙中被約束或固定，且空隙促進位錯塑性變形。空隙間距和直徑決定了位錯的臨界解析剪應力，影響材料的整體強度。NVD Au中的強化效果與傳統沉淀硬化或納米顆粒硬化不同，是由于表面位錯相互作用和空隙空間軟化之間的競爭。位錯線張力的降低和位錯解離可能解釋了NVD Au強化與傳統理論的偏差。
圖 表面位錯相互作用
延展性、應變硬化率和臨界空隙尺寸
NVD Au的優異延展性是其內在特性，與傳統觀點相反，其延展性隨空隙尺寸增加而提高，表現出與傳統強化材料不同的強度與延展性權衡。NVD Au在大塑性應變下維持較高應變硬化率，與傳統材料相比，其應變硬化率與伸長率的相關性一致，表明提高應變硬化率有助于提高延展性。TEM檢查發現，NVD Au中空隙-位錯相互作用可能阻礙了低能位錯胞的形成，從而在高應變下保持了較高的加工硬化率，這有助于實現強度和伸長率的優異組合。這種材料的強化效果與空隙尺寸、晶粒尺寸和位錯密度等因素有關，為材料輕量化和強化提供了新思路。進一步地，作者表明與具有不規則形狀或聚集空隙的傳統材料相比，NVD Au中納米空隙的近球形形狀和均勻分布有利于最大限度地減少應力集中，抑制現有空隙的增長和聚結，從而延緩宏觀材料的斷裂。雖然優化空隙的形狀和分布肯定可以抑制過早失效，但小的空隙尺寸對于空隙在NVD強化中的有益作用是決定性的，作者表明臨界尺寸介于 200 納米到幾微米之間，接近單晶的臨界尺寸。
圖 NVD Au的應變硬化率
展望
總之，作者證明了將分散的納米空隙加入純金中可以提高其強度，同時可能改善其延展性。這些分散的納米空隙還將純金密度降低 10% 以上。作者在不改變材料成分或相的情況下實現了納米空隙彌散強化。這種方法可能是一種環境友好且具有成本效益的策略，同時在很大程度上保留了材料的物理和化學特性及其耐腐蝕性。雖然納米空隙的強化效果可能不如硬納米顆粒的強化效果那么有效，但可以通過表面改性（例如表面偏析甚至沉淀）來改善。作者在納米多孔金中成功地證明了這一點，當表面經過電化學改性時，其強度可以提高約 100％。
參考文獻：
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
