中科院金海军Sci. Adv.：具有表面氧化膜的轻质、高强、稳定的纳米多孔铝

【引言】

脱合金制备的纳米多孔金属在催化、超级电容器、能量存储、驱动和其他方面受到广泛关注。脱合金时，一部分组元被选择性溶解，剩余组元自组装形成均匀的纳米多孔结构。长期以来，人们一直期望对纳米多孔铝(Al)进行研究，这不仅是为了铝的低成本、轻质和潜在的应用，还因为铝表面会自发形成钝化的氧化铝（Al₂O₃）层。最近的研究表明，极薄的表面氧化铝层（约5 nm厚）可显著提高亚微米尺度铝柱的强度。如将多孔铝的结构尺寸减小到亚微米或纳米尺度，并结合氧化铝钝化层的作用，有可能获得兼顾优异热稳定性和高强度的高性能多孔材料。然而，这一结果尚未通过实验实现。铝的活性很高，以至于纳米多孔铝的合成通常涉及非水溶液，导致脱合金速率很慢，且合成纳米多孔铝的前体合金受到限制。目前，纳米多孔Al只能从Mg-Al合金中脱合金，因为Mg比Al活性更强，可以与Al形成前驱体合金。直接脱合金制备的Mg-Al合金可以生成结构尺寸极小的纳米多孔铝（韧带尺寸为10-20 nm），然而，由于铝韧带的快速氧化，它在空气中会发生自燃。最近，脱合金腐蚀/置换反应(GRR)方法成功地制备不自燃、无裂纹的纳米多孔铝，这为探索纳米多孔铝的机械性能提供了机会。

【成果简介】

近日，中国科学院金属研究所的金海军研究员（通讯作者）等人发现韧带（微柱）尺寸减小到亚微米或纳米尺度时，其表面自发形成的氧化铝纳米壳层可稳定存在，并提高材料强度。在脱合金腐蚀/置换反应中自组装形成的纳米多孔Al-Al₂O₃核-壳复合材料，在自然环境条件下不易燃，且其结构在接近材料熔点温度是依旧能够稳定存在。相同密度下，这种材料比由纯铝或铝基复合材料组成的传统泡沫强度更高，比已报道的纳米多孔金属更轻、更稳定、比强度更高。相关成果以“Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell”发表在Science Advances上。

【图文导读】

图 1 具有氧化物壳层的纳米多孔铝的微观结构和稳定性

（A-C）纳米多孔铝、退火前和退火后的准原位SEM图像；

（D-F）制备态纳米多孔铝和不同温度退火的纳米多孔铝的TEM图像；

（G，H）制备态及退火态纳米多孔铝样品的韧带尺寸和晶粒尺寸分布；

（I）制备态及退火态纳米多孔铝样品实物图。

图 2 纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料的力学性能

（A，B）制备态及退火态纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料的压缩和拉伸应力-应变曲线；

（C）纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料的屈服强度随退火温度的变化图；

（D）纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料的杨氏模量随退火温度的变化图。

图 3 纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料的强度与密度的关系图

图 4 纳米多孔铝韧带表面的氧化层表征

（A-C）纳米多孔铝韧带的HAADF- STEM图像和EDS元素分布图；

（D）纳米多孔铝韧带的HRTEM图像；

（E，F）氧化铝层在600°C下退火 0.5 h之前和之后的准原位TEM 图像。

图 5 变形态纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料的结构表征

（A）变形纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料的明场TEM图像；

（B，C）变形韧带的表面和晶界处的HAADF-STEM图像。

图 6 Mg(Zn)合金采用GRR形成的纳米多孔Al(Zn)-Al₂O₃复合材料的结构表征

（A）纯Mg采用GRR形成的纳米多孔Al的SEM图像；

（B，C）Mg₉₅Zn₅采用GRR形成的纳米多孔Al(Zn)的SEM图像；

（D）为B中纳米多孔Al(Zn)退火后的SEM图像。

【小结】

相比于具有相似密度的常规多孔金属和多孔Al-氧化物复合材料，脱合金腐蚀/置换反应（GRR）制备的纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料强度更高。纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料也比脱合金制备的大多数纳米多孔金属更轻、更强和更稳定。Al纳米韧带表面的天然氧化层是纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料具有优异热稳定性的主要原因。氧化层、韧带尺寸和拓扑结构的综合影响是这种材料具有高强度（和高比强度）的原因。预计轻质、高强且稳定的纳米多孔Al-Al₂O₃复合材料将用于功能应用，例如高温等离子体激元、微型热交换器以及电池和其他电化学装置的电极。

文献链接Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.abb9471）。

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