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材料学院研究人员揭示高温下氢致界面失效的微观机理

2017-02-21 08:14:22

近日,西安交通大学微纳中心的研究人员继2015年在《自然-材料》上发文揭示了室温下氢致金属表面鼓泡的原子机理及2016年在《自然-通讯》上发文阐明氢和位错的作用机理之后,进一步研究了充氢后的金属铝单晶在高温下的界面演化过程并取得突破性进展,研究成果于2017年 2月20日发表在《自然-通讯》上。

作为世界上最轻的元素,氢很容易钻进其它材料内部,导致材料发生界面失效、形成内部孔洞等,从而严重劣化材料的力学性能。为了揭示氢劣化材料力学性能的机理并进而防范灾难性事故的发生,人们进行了长达一个多世纪的探索和研究并建立了较为系统的知识体系,但这些研究大多是在室温下完成的。随着现代工业的发展,氢在高温下对材料性能的影响日益受到人们的关注,如在化工厂、核电站、冶金工业等牵涉高温作业的领域时有关于氢致灾难发生的报道。因此,揭示高温下氢致材料微观结构的演化及其对材料宏观性能的影响就成为氢相关工业的研究重点。但是,由于实验技术的限制,截至目前,鲜有关于高温下氢对材料微观结构影响的报道,尤其是在微纳尺度。

针对市场上原有原位电镜加热装置样品热漂移大、温度控制精度差、样品制备困难的问题,西安交通大学材料学院微纳中心的博士生李蒙在导师单智伟的指导下,与沙特国王科技大学的张西祥教授合作,成功研发出了一种新型的原位电镜加热装置。这一装置不仅具有热漂移率优于市场上所有同类装置的特性,而且可以方便地在高温下对从宏观样品制备的样品进行原位定量加热并实时观察样品微观结构随温度变化的全过程。利用这一独特设备,选取铝单晶作为模型材料,李蒙和解德刚博士在环境透射电镜中研究了充氢后的微纳尺度铝柱在加热过程中界面结构演化的全过程。实验发现,在升温过程中,铝-氧化铝界面处会首先形成很多含氢纳米空腔并且这些纳米空腔会逐渐合并长大; 但出乎意料的是,当温度超过某一临界温度后,这些纳米空腔会逐渐缩小直至消失,同时会在样品某些位置快速形成巨型空腔。值得特别注意的是,此时样品表面依然保有原有的形状,且常规观测条件并不能发现这些空腔的存在。实验进一步发现,电子束辅助充氢过程还会在金属内部形成大量过饱和空位,这些过饱和空位会和钻进金属内部的氢原子结合形成氢-空位对。在室温下,这些氢-空位对相对稳定,移动性很弱,然而,在超过临界温度后,这些氢-空位对会分解并快速移动到界面处,进一步破坏金属-氧化物界面,并在界面上形成一个金属长程扩散的“高速公路”,最终导致巨型空腔的形成。上述发现对研发和制备高温抗氢损伤材料具有重要的指导意义。

该项工作由西安交通大学微纳中心的博士生李蒙、解德刚博士、单智伟教授、美国约翰霍普金斯大学马恩教授、麻省理工学院李巨教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授合作完成。该研究工作得到了国家自然科学基金(51231005,51621063)和西安交大微纳制造与测试技术国际联合实验室等的资助。

论文链接:

http://www.nature.com/articles/ncomms14564

图1. 自主设计制作的原位加热芯片。未充氢铝柱和充氢铝柱加热后的对比图,后者出现大空腔。

 


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