以2系、7系鋁合金為代表的高強鋁合金及其復(fù)合材料是航空航天和裝備輕量化的關(guān)鍵材料，具有不可替代性，但較差的耐蝕性是制約其應(yīng)用的世紀難題。如何設(shè)計開發(fā)出兼具高強度和高耐蝕性的鋁合金或其復(fù)合材料是目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注熱點和研究難點，對于裝備的輕量化發(fā)展具有重要意義。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所自然環(huán)境腐蝕研究部鄭玉貴研究員團隊提出了基于“內(nèi)生沉淀劑”的耐蝕金屬材料設(shè)計新思路，與材料制備與加工研究部馬宗義研究員團隊合作，制備出具有優(yōu)異耐蝕性能的超高強7系鋁基復(fù)合材料。該項研究成果近日以“Nature-inspired Incorporation of Precipitants into High-strength Bulk Aluminum Alloys Enables Life-long Extraordinary Corrosion Resistance in Diverse Aqueous Environments”為題在Advanced Materials期刊上發(fā)表（2024，DOI: 10.1002/adma.202406506）。王政彬項目研究員和楊杰博士研究生為論文共同第一作者，鄭玉貴研究員、馬宗義研究員和成會明院士為論文共同通訊作者。
受魚類在受到外部刺激時會通過腺體自發(fā)分泌粘液來進行自我保護的自然現(xiàn)象啟發(fā)，王政彬提出了“內(nèi)生沉淀劑為粘液，中空碳納米管為腺體，毛細作用為分泌驅(qū)動力”的仿生設(shè)計策略，成功制備出高強高耐蝕的塊體7075鋁基復(fù)合材料，抗拉強度高達~700 MPa，耐晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)異，其強度和耐蝕性的綜合匹配超過了目前公開報道的其他鋁合金（圖1）。該材料在酸、堿、鹽環(huán)境中均具有極低的腐蝕速率（圖2），在強腐蝕性堿性介質(zhì)中的腐蝕速率甚至比最耐蝕的純鋁還低133倍。優(yōu)異的耐蝕性主要是因為毛細作用誘導(dǎo)沉淀劑自發(fā)從碳納米管中溶出并在表面富集，形成保護性膜層（圖3）。運用上述仿生策略同樣研制出了兼具高強高耐蝕的2024以及6061鋁基復(fù)合材料，表明該策略具有可拓展性，有望能研發(fā)出其他高強高耐蝕金屬材料。
該項工作得到了金屬所創(chuàng)新基金重點項目、中國科學(xué)院青促會、中國科協(xié)青年人才托舉工程和國家自然科學(xué)基金的資助。
圖1. 高強高耐蝕7075鋁基復(fù)合材料優(yōu)異的耐晶間腐蝕、剝落腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能
圖2. 高強高耐蝕7075鋁基復(fù)合材料優(yōu)異的耐強酸性、中性和強堿性介質(zhì)腐蝕性能
圖 3. 高強高耐蝕7075鋁基復(fù)合材料的耐蝕機制
