影响纳米多孔金属塑性变形的“非尺寸”因素

纳米多孔结构金属具有很多独特性能。但该材料通常含有大量裂纹，力学性能极差。此前，其力学行为研究只能在微观尺度，借助于纳米压痕仪等设备进行；且研究仅限于"尺寸效应"，即"结构尺寸越小，强度越高"的规律。近期，申请人成功制得无裂纹、样品尺寸为毫米级的纳米多孔金样品，为在宏观尺度研究该材料本征力学性质提供了条件。本项目将基于该样品，系统研究初始位错和表面吸附在纳米多孔金属塑性变形中所起作用。将采用压缩等常规实验手段，全面研究这两个"非尺寸"因素对纳米多孔金的强度、脆性以及加工硬化能力等力学性质的影响。本工作一方面是为了探索"尺寸"以外的变量，以实现对纳米多孔金属塑性变形行为的更有效控制，为其力学性能优化（如强韧化）打下基础。另一方面，本工作也将加深对"位错-表面交互作用"的理解，旨在为揭示纳米尺度晶体材料变形的微观机理，探寻"小样品变形尺寸效应"的根本原因提供线索。后者也是当前的一个研究热点。

纳米多孔结构金属是脱合金腐蚀的产物，具有很多独特性能和功能应用。纳米多孔金属可近似认为是纳米金属线或棒连接而成；一般认为，由于尺寸效应，纳米多孔金属应该具有很高的强度。但实际纳米多孔金属强度远低于理论预测值，说明尺寸以外的其它因素可能对其力学性能产生影响甚至决定性作用。本项目系统研究尺寸以外的因素对纳米多孔金属力学性能的作用，旨在理解纳米结构金属和纳米尺度晶体的变形机理，同时探索其力学性能优化的途径，制备力学性能优异的高质量材料，为其应用打下基础。.本项目深入研究了多个结构参数在脱合金腐蚀过程及后续处理中的演变规律，及其对纳米多孔金属强度、弹性模量等力学性能的影响，取得以下主要研究成果：1）发现脱合金腐蚀过程分两步完成，初级腐蚀形成纳米多孔结构，次级腐蚀溶出残留的大量较活泼组元。据此找到避免裂纹产生的同时实现材料结构和成分调控的有效途径。2）发现纳米多孔金会发生自发收缩，这是表面应力诱发的纳米棱柱蠕变所致。发现通过电化学方法控制表面状态可以控制蠕变，从而控制甚至阻止体积收缩。3）研究中还发现除位错密度与表面状态以外，还有另两个“非尺寸”结构参量，即纳米棱柱成分与纳米多孔结构联接性，对纳米多孔金的力学性能有（更）重要影响。纳米棱柱成分取决于母合金成分和腐蚀工艺；经深入研究脱合金腐蚀微观机制，发现可通过控制腐蚀过程来定量控制纳米棱柱成分，从而调节纳米多孔金属力学性能。纳米多孔结构联接性则和结构粗化有关；通过引入结构联接性，也完美解释了纳米多孔金属强度和弹性模量低于理论预测值这一异常现象。4）引入“结构联接性”对纳米多孔结构-性能关系进行修正，通过弹性性能测试间接定量表征了结构联接性，从而消除多个“非尺寸”效应后，成功获得纳米尺度金棱柱强度随尺寸变化的本征规律，为深入探讨尺寸效应的内在原因和微观机制提供了条件。5）在上述研究基础上，成功制备获得屈服强度200 MPa以上的纳米多孔金铂毫米尺度样品，其强度甚至比腐蚀前母合金强度高5-7倍，展示出腐蚀也可以导致材料强化这一新现象。.这些研究结果，特别是脱合金腐蚀过程中纳米多孔金属结构和性能的演变规律，以及高质量高强度纳米金属材料的成功制备，为这类材料的功能应用打下基础。本工作也明确指出，在纳米结构材料中，尺寸并非决定材料力学性能的唯一因素，其它因素也会产生重大甚至决定性影响，这为理解纳米尺度变形提供了新的视角。