通過脫合金制備的納米多孔金屬在各種功能應用中受到廣泛關注。在脫合金期間，反應性元素被選擇性溶解，剩余的反應性較低的元素自行組織成均勻的納米多孔結構。脫合金納米多孔結構代表了一種新型的自組織強而輕的材料。納米多孔金屬通常表現出高強度但熱穩定性差。由于大量過剩的表面能，納米多孔金屬（如金）即使在環境溫度下也易于粗化。如何降低納米多孔金屬的密度并提高其穩定性，成為發展輕質高強多功能納米多孔金屬材料的關鍵。 

此外，鋁的反應性如此之高，以至于納米多孔鋁的合成通常涉及非水溶液，例如離子液體 ，其中脫合金很慢。用于合成納米多孔鋁的合適的前體合金也受到限制。目前，納米多孔 Al 只能從 Mg-Al 合金中脫合金，因為 Mg 是少數比 Al 反應性更強的元素之一，可以與 Al 形成合金形成前體合金。直接脫合金的 Mg-Al 合金可以生成結構非常精細的納米多孔鋁（韌帶尺寸為 10 到 20 nm），但是由于鋁韌帶的快速氧化，它在大氣中可燃。 

最近，金屬所金海軍團隊提出在金屬鋁中構筑納米多孔結構，利用輕金屬鋁作為骨架降低納米多孔金屬密度，同時利用鋁表面自發形成的極薄氧化膜可抑制表面擴散，提高材料熱穩定性。最終研究人員將脫合金腐蝕與置換反應（GRR）相結合制備出了無裂紋的納米多孔鋁樣品，相關研究成果以“Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell”為題近日發表于Science Advances。 

論文鏈接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/28/eabb9471

研究發現，納米多孔鋁對燒結或致密化也很穩定，這通常通過晶界擴散進行，如壓實多晶粉末的燒結。盡管納米多孔鋁含有高密度的晶界，但在 600°C 下退火 24 小時后，樣品長度（和厚度）的變化非常小（2.5 至 3.0%）。納米多孔鋁的優異熱穩定性源于韌帶表面氧化鋁層的存在。由于氧化物殼占據材料體積的很大一部分，并且天然氧化物層在其熱穩定性和機械響應中起著重要作用，脫合金腐蝕與置換反應（GRR）制備的納米多孔鋁樣品是納米多孔 Al-Al2O3 核殼復合材料。 

圖 1 具有天然氧化物殼的納米多孔鋁的微觀結構和熱穩定性。

圖2 納米多孔鋁的結構表征。

GRR 生成的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料沒有裂紋，因此適用于微壓縮和微拉伸測試。這些樣品在壓縮下是塑性的，對于所制備的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料，屈服強度由 0.5% 塑性應變下的應力定義，約為 73 MPa。退火樣品的屈服強度沒有降低，而是隨著退火溫度（Ta）的增加而增加。對于在 400 到 600°C 之間的溫度下退火的樣品，屈服強度增加到大約 110 MPa。

圖3 納米多孔Al-Al2O3復合材料的力學性能。

以前報道的納米多孔金屬的強度隨著密度的降低而下降得更快，與傳統泡沫金屬相比，強度并不高。這些納米多孔金屬中納米韌帶的高強度已被脫合金結構的低承載效率所抵消 。而GRR 制備的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料的密度低于大多數以前的納米多孔金屬；相比之下，納米多孔 Al-Al2O3 是通過脫合金制備的最強的納米多孔材料之一，在拉伸和壓縮下，盡管其結構尺寸比大多數納米多孔金屬粗。納米多孔 Al-Al2O3 的強度也明顯高于由純鋁和鋁基復合材料組成的密度相似的傳統泡沫。因此，納米多孔 Al-Al2O3 的比強度（強度密度比）高于以前的多孔金屬、多孔氧化鋁復合材料和納米多孔金屬。

 

圖4 納米多孔鋁強度與密度關系

總的來說，GRR制備的納米多孔Al-Al2O3復合材料（或具有天然氧化物殼的納米多孔Al）比具有相似密度的常規多孔金屬和多孔Al-氧化物復合材料更強。納米多孔Al-Al2O3復合材料也比通過脫合金制備的大多數納米多孔金屬更輕、更堅固、更穩定。 Al納米韌帶表面的天然氧化層是納米多孔Al-Al2O3復合材料具有優異熱穩定性的主要原因。 氧化層、韌帶尺寸和拓撲結構的綜合影響是這種材料具有高強度（和高比強度）的原因 。

預計輕質、堅固且穩定的納米多孔 Al-Al2O3 復合材料將用于多種功能應用，例如高溫 等離子體激元 、微型熱交換器 以及電池和其他電化學裝置的電極 。 目前的研究還表明， 將結構尺寸細化到亞微米或納米尺度可能會大大提高多孔鋁或泡沫鋁在結構應用中的性能， 因為結構細化不僅引入了尺寸效應，而且還放大了鈍化氧化物對強度的影響 。 目前，納米多孔鋁基樣品的厚度受到離子液體中 GRR 緩慢速率的限制。 需要進一步的研究來開發更簡單、更 有效和更具成本效益的路線來制造 大規 模、高質量和 更具延展性的納米多孔鋁基材料，這對于實際應用至關重要。

本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。