研究背景

　　高强度铝基金属材料因其重量轻、性能好(如高特定强度和导电性)，而广泛应用于航空、航空航天和海洋工业。这类材料的高强度往往依赖于增强相的引入，如Al合金中的沉淀相和Al基质复合材料中的增强相。这些相与Al基体间存在显著的电化学性质差异，导致暴露在恶劣环境中易发生微电流腐蚀，从而导致材料的抗腐蚀性较差。腐蚀问题不仅威胁部件的安全性和结构完整性，还限制了它们的广泛应用，还可能引发巨大的经济损失和对人类生命的不可逆转的伤害。因此，解决高强度铝基材料的腐蚀问题一直是工程应用的迫切需要。

　　为应对这一挑战，科研人员不断探索多种表面防护策略，如涂层技术及微弧氧化处理，来抑制腐蚀过程。然而，这些方法不能提供终身保护，且处理复杂。另一方面，通过优化成分、调节强化相并控制其与基体的相互作用，致力于提高高强度铝基材料的固有耐腐蚀性。然而，在铝基材料中实现高强度和良好的耐腐蚀性通常需要强度-腐蚀权衡，因为传统方法产生的强化相会不同程度地降低耐腐蚀性。因此，在不牺牲高强度的情况下，显著提高铝基金属材料的终身耐腐蚀性仍然是一个巨大的挑战。

　　研究成果

　　近日，中科院金属所郑玉贵研究员、马宗义研究员&中科院深圳先进院成会明院士受鱼类从腺体分泌黏液以抵抗外部环境变化的启发，开发了一种新颖的策略：将沉淀剂作为黏液加入大块金属中，使用开口碳纳米管(CNTs)的内腔作为腺体，使高强度铝合金具有终身卓越的耐腐蚀性。所得材料具有超高的抗拉强度(≈700 MPa)和酸性、中性和碱性介质中非凡的耐腐蚀性。与先前报道的所有铝合金相比，它具有最高的抗晶间腐蚀、剥落腐蚀和应力腐蚀开裂性，其腐蚀速率甚至远低于纯铝，这是由于暴露的CNTs释放的沉淀剂在表面富集，进而形成了保护性表面膜。更重要的是，由于沉淀剂分散在整个材料中且按需最小自给，其高耐腐蚀性是终身的和自修复的。这一策略有望推广到其他类型的铝合金，并为开发耐腐蚀的高强度金属材料铺平道路。

　　相关研究工作以“Nature-Inspired Incorporation of Precipitants into High-Strength Bulk Aluminum Alloys Enables Life-Long Extraordinary Corrosion Resistance in Diverse Aqueous Environments”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

　　研究内容

　　图1. Na2MoO4@CNT/7075的制备、微观结构和力学性能。(a) Na2MoO4@CNT/7075的制备示意图;(b) Na2MoO4@CNT粉末的TEM图像和能量色散光谱(EDS)图;(c) Na2MoO4@CNT/7075块体中Na2MoO4@CNT的TEM图像和EDS图;(d) Na2MoO4@CNT和Al基体之间界面的HRTEM图像和选区电子衍射(SAED)图案(插图);(e) 工程应力-应变-拉伸曲线。

　　图2. 根据ASTM标准，与7075、CNT/7075和其他铝合金相比，Na2MoO4@CNT/7075的腐蚀性能。(a-c)在对Na2MoO4@CNT/7075 (a)、7075 (b)和CNT/7705 (c)进行IGC测试后，样品的截面扫描电子显微镜(SEM)图像和标记的IGC深度;(d-f)在Na2MoO4@CNT/7075 (d)、7075 (e)和CNT/7705 (f)的EXCO测试后，样品的光学宏观EXCO形态和标记的EXCO评级;(g) EXCO测试后样品的表面文件;(h) 在空气和0.6 mol·L-1 NaCl溶液中的SSRT曲线，以评估SCC易感性;(i) Na2MoO4@CNT/7075、7075和CNT/7705的FEloss、ELloss和ISSRT的SCC指数;(J-l)与其他铝合金相比，Na2MoO4@CNT/7075的UTS与IGC (j)、EXCO (k)和SCC (l)电阻。

　　图3. 与7075、CNT/7075和其他高强度(UTS>600MPa)铝合金相比，通过测量重量损失获得了Na2MoO4@CNT/7705在不同腐蚀介质中的腐蚀速率。(a)浸泡2天后在1mol·L-1 H2SO4和1mol·L-1 NaOH溶液中以及浸泡30天后在0.6mol·L-1 NaCl溶液中的腐蚀速率和腐蚀形态的SEM图像;(b)与其他倒退和再时效(RRA)、应力时效(SA)、动态时效(DA)、Zn/Mg比例优化、Sc合金化以及Pr和Er合金化策略相比，本策略能够同时提高UTS和降低腐蚀速率(在0.6mol·L-1 NaCl溶液中)，显示出克服铝基材料强度-腐蚀权衡影响的卓越能力。

　　图4. 扩展了使用开口CNT内腔将沉淀剂掺入大块金属的新策略。(a-d)工程应力-应变-拉伸曲线，包括IGC测试后样品的截面SEM图像和标记的IGC深度(右上)，以及在Na3PO4@CNT/7075 (a)、Na2SiO3@CNT/7705 (b)、Na2 MoO4@CNT/6061 (c)和Na2MoO4@CNT/2024 (d)的EXCO测试后的光学宏观EXCO形态(右下)，显示出高强度和优异耐腐蚀性的良好组合。

　　结论与展望

　　这项工作提出了一种受自然启发的创新策略，通过使用开口CNTs的内腔将额定水溶性沉淀剂掺入大块铝合金中，开发耐腐蚀的高强度铝基材料。这一策略由于通过负载传递机制的CNT的外壁洁净，提高了大块铝合金的强度;同时，由于毛细管作用使暴露的CNT释放的沉淀剂明显富集，使大块铝合金具有非凡的耐腐蚀性，巧妙平衡了金属材料的强度与耐腐蚀性的传统矛盾。值得一提的是，沉淀剂在大块金属中的释放是自发的、按需的和微小的，且利用率很高，为高强度铝合金在各种腐蚀性水介质中提供了终身和自愈的耐腐蚀性。结果表明，通过调整铝合金基体和沉积相，可轻易实现高强度和优异耐腐蚀性的良好结合。该策略展现出巨大的潜在扩展能力，通过开口CNTs与适宜沉淀剂的结合，针对特定应用需求，精准定制开发出其他种类的高强度且耐腐蚀的镁基、锌基或铜基材料。因此，这种受自然启发的策略，将激起科研界对先进材料研发与应用领域的广泛兴趣与深入探索。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1002/adma.202406506