發(fā)展新型輕質(zhì)高強度材料是航空航天、汽車、消費電子等領(lǐng)域的迫切需求。當(dāng)前，材料輕量化一般通過添加更輕的合金元素如輕質(zhì)鋼中的鋁、鋁合金中的鋰來實現(xiàn)。與之相比，引入孔洞是更為直觀有效且更具普適性的材料減重途徑。然而，一般情況下，少量孔洞即可導(dǎo)致材料的強度、塑韌性、疲勞性能等力學(xué)性能急劇降低。因此，在鑄造、粉末冶金、3D打印等材料制備加工過程中，孔洞一般被視為嚴重材料缺陷而需要嚴格控制并極力消除。

近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員金海軍團隊提出，如果細化至百納米以下并彌散分布于材料中，孔洞將從有害材料缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴摹皬娀唷薄Ｔ搱F隊以金為模型材料研究發(fā)現(xiàn)，添加彌散納米孔可在不損失、甚至提高塑性的同時，降低材料密度并大幅提升其強度。8月9日，相關(guān)研究成果以Strengthening Gold with Dispersed Nanovoids為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。

該團隊通過脫合金腐蝕法制備出結(jié)構(gòu)均勻的納米多孔金，將其適當(dāng)壓縮并加熱退火，形成含有大量彌散分布納米孔的新材料。微拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，添加體積分數(shù)高達5%~10%的納米孔后，材料屈服強度提升50%~100%，且保持良好的塑性。部分樣品塑性甚至優(yōu)于同等晶粒尺寸的完全致密材料。彌散分布納米孔有助于減輕孔洞周圍應(yīng)力和應(yīng)變集中，抑制裂紋的萌生。該材料巨大比表面積促進表面-位錯間交互作用，進而提高強度的同時也提高應(yīng)變硬化率，且后者有助于提高塑性。

研究表明，特征尺寸低于百納米的孔洞具有類似于納米顆粒或納米析出相的強化效應(yīng)，是一種“零質(zhì)量、零污染”的新型納米強化相。這一強化方式有助于材料輕量化和回收再利用，可更大限度保留本體材料導(dǎo)熱導(dǎo)電等優(yōu)異物理性能，并有望在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。

納米孔彌散強化金（NVD Au）：（a）樣品實物圖；（b）典型掃描電鏡照片；（c）透射電鏡照片；（d）三維重構(gòu)圖顯示納米孔的空間分布。

納米孔彌散強化金（NVD Au）的力學(xué)行為：（a）不同孔徑NVD Au以及全致密參比樣品的拉伸曲線；（b）兩種樣品均勻延伸率隨屈服強度的變化；（c）屈服強度和（d）均勻延伸率隨孔徑的變化規(guī)律。AMM： 增材制造金屬材料。屈服強度和均勻延伸率均以相應(yīng)全致密態(tài)樣品數(shù)據(jù)為基準進行了歸一化。