澳研制出多用途“不锈镁”!密度超低,耐腐蚀性更好
2016-01-04 11:20:00   来源:中国科技网
内容摘要
近期,澳大利亚研究者已经发现了一种新型的镁-锂合金,密度超低,耐腐蚀性也更好,这种材料可以大幅减轻汽车和飞机的重量,被喻为“不锈镁”,在不久的将来有望实现批量化生产。

在用于运输工具方面,作为一种强大的、轻量化、易加工材料,镁合金比铝更具有优势,不过它更容易腐蚀。

近期,澳大利亚研究者已经发现了一种新型的镁-锂合金,密度超低,耐腐蚀性也更好,这种材料可以大幅减轻汽车和飞机的重量,被喻为“不锈镁”,在不久的将来有望实现批量化生产。为了研制这种耐腐蚀的镁合金,澳大利亚莫纳什大学(Monash University)的教授Nick Birbilis进行了大量的前期研究。

早在2013年,他的团队发现,通过添加少许砷,可以更好地保存实验室的金属,这是由于将金属在盐溶液中的腐蚀速率减慢了近10倍。

 

在他们团队最新的研究里,又取得了重大突破。来自新威尔士大学(UNSW)的合作研究人员将一块经过热处理的镁合金样品放入一杯水中,以此检测腐蚀性,通常研究人员将样品放入盐水一类的溶液后,一天后再来观察样品的剩余量,但令他们大为惊讶的是,尽管这块样品已经在盐水中浸泡多时,却依然完整,表面没有任何腐蚀。因此,研究人员开始对试样的微观结构进行了研究,并交由澳大利亚同步加速器项目(Australian Synchrotron)的科学家通过粉末衍射光束线探寻其奥秘。

研究人员在样品种发现了一种独特的纳米结构,产生了一层富含碳酸盐的薄膜,在大气暴露环境下形成了保护层。研究人员将其比作不锈钢表面形成的氧化铬保护膜,并称其可以使镁合金在实验室条件下免于腐蚀。

统领新威尔士大学研究团队的Michael Ferry教授解释称:“这是首类可以防止腐蚀的镁-锂合金,各种元素在与周围大气的接触后在表面形成了保护层,即便反复刮磨,这种保护层也可以迅速形成,从而形成可靠而持久的防护。”

这种镁-锂合金的重量仅仅相当于铝的一半,比镁还要轻30%,这种特性有助于汽车、卡车和飞机显着降低燃料消耗,进而降低温室气体排放。

Birbilis教授说:“新型合金板具备轻量化功效,而且耐腐蚀性不逊于传统的不锈钢,这种新材料充分发挥了几个世纪都没有发掘的潜力,令人惊叹。”

该研究团队目前正在深入研究这种合金材料和碳酸盐薄膜的分子组成,以便更好地阐明其抗腐蚀机理,前期的研究成果已经发表于国际权威杂志《自然材料》(Nature Materials)。

 

·美国科学家研制出高强度超轻金属材料·

日前,美国加州大学洛杉矶分校研究小组最新研制出一种超高强度,且非常轻的金属材料,他们使用一种新方法分散和稳定纳米微粒进入熔化状态的镁。

这种新型金属材料是加入密集分散型纳米碳化硅微粒的镁,它可用于制造轻型飞机、太空飞船和汽车,有助于提高燃料效率,同时还可用于手机电子和生物医学设备制造领域。据悉,为了制造超高强度、轻重量金属材料,研究小组发现一种新的方法在熔化金属材料中分散和稳定纳米微粒,同时,他们还研制了一种可扩展性制造方法,用于制造更高效性能的轻重量金属。目前,这项最新研究报告发表在近期出版的《自然》杂志上。

 

该研究项目负责人李晓春和美国加州大学洛杉矶分校制造工程系雷声·查尔(Raytheon Chair)指出,纳米微粒能够在不损坏其可塑性的前提下,真实提高金属强度,尤其是像镁这样的轻重量金属,但是迄今为止没有研究小组能够将陶瓷纳米微粒分散在熔化金属中。基于灌输物理属性和材料加工过程,最终我们通过灌输密集纳米微粒提高金属属性,证实了一种新的方法增强金属性能。

结构金属是一种承载金属,它用于建筑业和汽车制造。镁仅是铝密度的三分之二,是最轻的结构金属。碳化硅是一种超硬陶瓷材料,通常用于制造工业刀片。目前,这项最新技术灌输大量碳化硅微粒(直径小于100纳米)进入熔化状态的镁金属,从而显着提高了金属的强度、刚度、可塑性和高温下的持久度。

长期以来,科学家认为陶瓷颗粒能够潜在地使金属硬度更高,然而微观等级陶瓷颗粒在灌输过程中会损失可塑性。相比之下,纳米等级微粒能够显着提高强度或者提高金属可塑性,但是纳米陶瓷颗粒倾向于凝聚在一起,而不是均匀分散,这是由于小型微粒倾向于彼此吸引。为了消除这一问题,研究人员将纳米微粒分散在熔化的镁锌合金中,它们依赖粒子运动的动能彼此分散开来,这将稳定纳米微粒的均匀分散,避免凝聚在一起。

为了更进一步增强这种新金属材料强度,研究人员使用一种叫做高压扭转技术进行压缩。目前,这种新型金属材料14%是碳化硅纳米微粒,86%是镁锌合金。

 

·日本安桥:镁振膜耳机在2016年实现商品化·

日本安桥公司宣布,他们成功打造出世界首款采用“镁振膜”、拥有高分辨率特性的耳机。在目前已经应用的高保真耳机振膜材料中,镁是最轻的实用金属材料。安桥计划在2016年推出正式的商品。

最近,高解析耳机和便携式播放器市场持续升温。这次发布的新振膜材料,正是以“真实的还原高解析音源效果”为目标,而全新研发的。和常见的铝材相比,镁材具有诸多优点。它不仅单位重量比铝轻,而且具有更好的强度、刚度,同时内损值也是目前金属材料中最高的(在金属振膜材料中,内损越高越好)。

 

针对镁材的特性,安桥在工艺上采用了一体成型技术。并且采用了特殊的技术,抑制了金属固有的高频响应,最大限度避免了刺耳的“金属声”出现。除此之外,安桥还采用了特殊的表面涂层处理工艺,用来长时间维持振膜强度和高音区表现。

安桥将这个全新的振膜命名为“镁硬壳振膜”,并希望在2016年实现商品化。如果这种新材料可以大规模应用,又是耳机领域一个全新的改变。

 

·高分辨率扫描电子显微镜将助力研制更耐腐蚀的新材料·

扫描电子显微镜的历史漫长而光荣,高分辨率扫描电子显微镜使得材料表面的独特原子结构成像首次得以解决。这个历史性的科学突破由多家机构的研究人员共同研发,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(DOEs Lawrence Berkeley National Laboratory ,Berkeley Lab)的科学家也参与其中。

 

国家电子显微镜中心分子实验室(美国能源部用户科学设备办公室)的工作者Jim Ciston表示:我们已经研发出一种合理的直接法确定表面的原子结构,还能解决埋入界面这个挑战性难题。虽然物质中,表面原子占总数的极小部分,但正是这些原子驱动大部分材料与环境发生化学相互作用。

描述这个新方法的论文发表在Nature Communications上,Ciston是该论文的首要作者,论文题目为Surface Determination through Atomically Resolved Secondary Electron Imaging。其他作者包括Hamish Brown、Adrian DAlfonso、Pratik Koirala、 Colin Ophus、Yuyuan Lin、Yuya Suzuki、HiromiInada、Yimei Zhu、Les Allen和 Laurence Marks。

大多数物质通过表面与其他物质接触,大部分材料的结构和化学性质都不同。大多数重要的反应发生在物体表面,无论是利用催化剂从阳光和二氧化碳中获得高能量燃料,还是桥梁和飞机外表生锈都是如此。

Ciston表示:从本质上讲,每一种材料的表面就是其自身的纳米材料涂层,材料外表可以改变材料的化学性质,为了了解材料表面的反应过程并改善物质性能,有必要知道表面的原子排列结构。尽管有很多方法了解材料平面的相关信息,但是对于粗糙表面,获取信息的途径却是有限的。

论文的另一作者、布鲁克黑文国家实验室科学家Zhu表示:高分辨率扫描电子显微镜技术的优点是,我们可以同时对原子表面和原子整体进行绘制,时至今日还没有一个方法能做到这一点,但我们的方法能够做到。

SEM是一种很好的技术,能够研究材料表面,但通常提供的拓扑信息分辨率只能达到纳米级。一种被称为高分辨率扫描电子显微镜(high-resolution scanning electron microscopy,HRSEM)技术应用前景不可限量,它将扫描显微镜延伸到原子尺度,并同时提供原子的表面信息和原子整体信息的高清图像,通过二次电子扫描,保留传统扫描电子显微镜的大部分表面灵敏度。

二次电子是一个高度活跃的电子束撞击材料并促使物质原子释放能量(以电子而不是光子的形式)所致。由于大部分的二次电子由表面和原子整体发射,因此,它们是获得有关原子表面结构信息的重要来源;但是,高分辨率扫描电子显微镜的表面选择性从来没有得到充分利用。

 

Ciston表示:尽管强大的工具已经被用了好几年,由于无法直接分别解释高分辨率扫描电子显微镜的表面和整体结构信息,材料科学应用进展依然缓慢,原因是缺乏充分发展的理论框架以原子尺度解释扫描电子显微镜图像形成原理。

他指出,现有的二次电子图像仿真方法必须扩展到考虑材料的价轨道(valence orbitals),以及价轨道生成信号的扫描效率。

为了验证新理论框架的有效性,Ciston,Allen,Marks以及他们的同事详细收集和分析了一系列钛酸锶表面特定原子排列的高分辨率扫描电子显微镜图像。这些实验经过了仔细的二次电子图像模拟,密度泛函理论计算,高分辨率透射电子显微镜的像差校正。

Ciston表示:需要准确理解传统的透射电子显微镜图像,也需要借助传统的透射电子显微镜图像来证实我们的方法的结构和高分辨率电子扫描显微镜理论是正确的。总的来说,分析结果显示,我们既能得到材料表面信息,也能得到原子整体信息。

高分辨率扫描电子显微镜的运算结果和实验结果之间高度吻合,表明这种显微镜对于确定表面结构来说是一个非常实用的工具,能解决表面信息或整体信息采集这个难题。从他们论证来看,之前关于钛酸锶原子表面结构呈6x2周期性变化这个观点是错误的,传统技术未能检测到氧化钛表面高覆盖率群体之间特殊的7倍协调关系。

Ciston表示:我们通过调查研究材料开始了这项工作,但新技术太强大了,我们不得不修订已经被认可的结论。

作者Allen,澳大利亚墨尔本大学的一位科学家,领导了新成像技术的理论建模,他补充道:我们现在对图像有了更加精确、更加全面的理解。

也许,这种新的高分辨率扫描电子显微镜表面分析技术的第一个目标将针对纳米粒子的表面结构。平面视图表明,使用电子显微镜对纳米颗粒表面结构进行成像极具挑战性,正如Ciston所说,这正是需要改善的地方。

他说道:平面几何很重要,因为表面结构经常会涉及多个领域。这是一个非常具有挑战性的问题,因为通常扫描探针技术不能以原子分辨率处理纳米粒子的表面,而表面x射线衍射需要很大的单晶表面。

作者Marks,美国西北大学(Northwestern University)材料科学与工程教授说道:我们非常兴奋,这个方法可用来解决一些腐蚀性问题。工业和军事腐蚀损耗巨大,我们需要了解一切,以便研制出更耐腐蚀的材料。(如需转载,请注明来源自IT科技年)