摘要 鎂(Magnesium)在工程學中具有重要作用和潛能,它被認為是結構金屬材料中能夠承重的最輕金屬,也是地殼中第八大富有元素。不過,另一方面,在強度與硬度方面的表現,鎂與其他金屬相比...
鎂(Magnesium)在工程學中具有重要作用和潛能,它被認為是結構金屬材料中能夠承重的最輕金屬,也是地殼中第八大富有元素。不過,另一方面,在強度與硬度方面的表現,鎂與其他金屬相比可能略遜一籌。但是,近日UCLA的研究人員發表報告,聲稱使用鎂與碳化硅納米粒子合成一種新型復合材料,具有超輕、超強承重能力,可造福航空、汽車、航空等諸多領域,對于提高能源效率具有重要意義。
UCLA機械與航空工程學院教授李曉春博士說:“對于像鎂一樣的輕型金屬來說,研究人員提出納米粒子可以很容易增加金屬強度,而且不損害其可塑性的觀點。但是,此前從沒有人能夠將納米陶瓷粒子(ceramic nanoparticle)與熔融金屬充分融合,直到現在。”李博士同時也是整個研究組的組長。
據悉,在之前的試驗中,研究人員使用了微米(microscale)級別的陶瓷粒子,但是材料的可塑性大大降低。為克服此問題,研究人員改用了納米(nanoscale)級別的陶瓷粒子,結果,鎂金屬強度大大增強,可塑性保持不變甚至有時大大改善。不過,問題也隨之而來,納米粒子往往會簇成一團,而不是平均分散在金屬材料之中。
研究人員最大的成果是改善加工工藝,使用碳化硅(silicon carbide,俗稱金剛砂)——一種常用于工業切削片中的超強硬度陶瓷,來生產該種新型復合材料。小于100毫微米的碳化硅能夠充分分散于熔融狀態的鎂鋅合金,而粒子本身的動能則能防止它們簇成一團。
然后,該材料通過高壓扭轉(high-pressure torsion)的方式進行壓縮。目前,高壓扭轉在金屬加工工藝中非常普遍,壓縮力和扭轉變形同時作用于材料。在過去二十幾年里,因為可以生產出高強度和晶粒細化(grain refinement)材料(甚至是納米級別材料),高壓扭轉方式在業內逐漸流行。
最終產出的金屬復合材料由14%的碳化硅納米粒子和86%的鎂構成。新材料在試驗過程中,展示出了相關材料歷史上最高強度水平(斷裂之前可承受的最大重量)以及最優硬度重量比。而且,材料還展示出了超強的耐高溫特性。
李曉春博士介紹說:“我們目前的研究結果僅是新型復合材料的皮毛,而未來具有革命特性和功能的系列新型金屬復合材料將不斷涌現。”
目前,該發明成果已經被發表在《自然雜志》上了。新型復合材料或將比塑料還要輕,比金屬表現還要好,未來將在汽車、航天、醫療等方面大展身手。