铝合金耐蚀新思路！如何耐腐蚀还高强度？竟来自动画片的灵感！
更新时间：2024-09-14 21:31 浏览量：28
出品：科普中国
作者：王政彬（中国科学院金属研究所）
监制：中国科普博览
编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。
生活中的铝
铝是地壳中含量第三高的元素（仅次于氧和硅），同时，由于金属铝具有密度小、强度高、易加工等特点，铝合金在国民经济和国防等各个领域均得到了广泛应用。
金属铝的密度只有金属铁密度的约1/3，因此，以铝合金为代表的铝基材料是飞机、车辆、舰船等装备轻量化的关键材料，其大规模应用不仅能够显著降低飞机、车辆等民用装备的燃料消耗，减少温室气体排放，还能够提高武器装备的机动性、航程和载弹量，对于节能减排、国防安全等具有重要意义。
铝元素
（图片来源：veer图库）
近年来，在全球应对气候变化的紧迫背景和在“双碳”战略目标驱动下，装备轻量化对铝基材料（包括铝合金、铝基复合材料等）提出了更高强更耐蚀的迫切需求。高的强度可以保证更少的材料，即可承载更大的载荷，高的耐蚀性可以保证无需大量防腐涂装，均有利于轻量化。
金属铝由于能自发地在表面形成Al2O3保护膜，通常具有较好的耐蚀性能，这也是我们日常生活中很多铝合金制品（如铝合金门窗等）不容易发生腐蚀（生锈）的根本原因。
然而，这些铝合金强度往往较低（成年人徒手即可使很多铝合金门窗框变形），无法满足高强度的要求。
如何在保证耐腐蚀的基础上提高铝合金的强度？
在金属铝中引入强化相（包括向金属铝中加入镁、锌、铜等其他金属元素所形成的析出相和向金属铝中加入陶瓷颗粒、碳纳米管等增强相），是开发高强铝基材料最有效的方法，由此也发展出2系（铝-铜合金）、7系（铝-锌-镁合金）等高强铝合金，已成为航空航天和装备轻量化的关键材料（例如2系铝合金是飞机蒙皮的主要材料）。
然而，强化相的引入在提高强度的同时，会显著降低铝合金的耐蚀性能，这是因为强化相与金属铝基体之间存在本征的腐蚀电位差异，极易产生微电偶效应而发生加速腐蚀。
铝卷
（图片来源：veer图库）
强化相对强度有利、对耐蚀性不利的相反作用导致铝合金普遍存在高强度与高耐蚀不可兼得的矛盾（即强度越高，耐蚀性越差，如下图所示），这是制约高强铝合金应用和发展的瓶颈。如何设计开发出兼具高强度和高耐蚀性的铝基材料，已成为国内外学术界和工业界的关注热点和研究难点。
铝合金普遍存在高强度与高耐蚀不可兼得的矛盾问题
（图片来源：作者供图）
动画片启发，思路有了！
为了解决高强铝基材料不耐腐蚀的问题，研究者们采取了成分优化、热处理调控、相界面优化等诸多措施，虽然在一定程度上提升了耐蚀性，但往往以牺牲强度为代价或导致强度提升不明显。
其根本原因是这些措施局限于通过调控强化相的成分、尺寸和分布来优化力学和腐蚀性能，没有改变强化相“对强度有利、对耐蚀有害”的矛盾角色。因此，需要另辟蹊径，寻找高效的兼顾力学强化与抑制腐蚀的全新材料设计方法。
因为我本身是研究腐蚀防护的，所以首先从腐蚀的角度来尝试解决这个问题。偶然一次在陪女儿看动画片时，了解到一些鳗鱼在受到外界刺激（例如遇到危险）时，会通过皮肤的腺体自发分泌粘液进行自我保护。
鳗鱼
（图片来源：veer图库）
受此启发，我联想到如果金属材料也能在受到外部腐蚀（外界刺激）时，也能够自发“分泌”某种物质在表面形成保护膜，那么就能实现金属材料的自发耐蚀了。
要想实现这一思路，需要解决三方面问题：选择什么物质作为金属中的“粘液”？选择什么物质作为金属中的“腺体”？在受到外部腐蚀刺激时金属中的“腺体”能否自发分泌“粘液”抑制腐蚀？
根据已有知识，可溶性钼酸盐、磷酸盐等无机盐（沉淀剂）可以与腐蚀产生的Al3+离子反应生成沉淀，能够抑制金属铝的腐蚀，因此，其可以作为所需的“粘液”。
然而，无机盐与金属之间是完全不兼容的，直接把无机沉淀剂加入金属铝中必然会严重影响成型性和强度。因此，我们需要寻找一个“腺体”在装载沉淀剂的同时，还能与金属铝实现界面兼容。
研究表明，碳纳米管可以通过外壁传递载荷等机制进行力学强化，已被成功应用于增强金属铝的强度。值得注意的是，目前添加到块体金属材料中的碳纳米管的内腔大多是中空的，而这个空腔恰恰能填充物质。受此启发，我们就可以将碳纳米管作为“腺体”，利用其内腔把无机沉淀剂加到金属中。
同时，碳纳米管还是一种纳米毛细管，当接触水溶液（外部腐蚀介质）时，水可以通过毛细作用进入碳纳米管内腔，溶解其内部负载的沉淀剂，在浓度梯度的驱动下，碳纳米管内腔的沉淀剂就可以自发扩散到金属/溶解界面，与腐蚀产生的Al3+离子反应生成沉淀，从而抑制腐蚀。
碳纳米管
（图片来源：veer图库）
由此可见，碳纳米管“腺体”在受到外部腐蚀溶液刺激时，可以通过“腺体”利用毛细作用自发分泌“粘液”来抑制腐蚀。据此，我提出了“内生沉淀剂为粘液，中空碳纳米管为腺体，毛细作用为分泌驱动力”的仿生设计新策略，并利用真空负载技术和粉末冶金技术成功制备出高强高耐蚀的块体7系铝基复合材料。
该材料具有~700 MPa的超高抗拉强度，塑性满足应用要求，耐晶间腐蚀等级为N级（最优级），耐剥落腐蚀等级为1级（最优级），且无应力腐蚀敏感性，其强度和耐蚀性的综合匹配超过了目前公开报道的其他铝合金（图A）。
不仅如此，该材料在酸、碱、盐环境中均具有极低的腐蚀速率，表明其具有优异的腐蚀环境适应性。
值得一提的是，其在强腐蚀性碱性介质中浸泡2天也不发生明显腐蚀（图B），腐蚀速率仅有0.15 mm/a，是最耐蚀的纯铝的一百分之一，颠覆了金属铝不耐碱腐蚀的传统认知。与之相比，传统7系铝合金及其复合材料在强碱中发生了严重腐蚀，7系铝基复合材料甚至被腐蚀成渣了（图B）。
优异的耐蚀性主要是因为毛细作用能够诱导沉淀剂自发从碳纳米管中溶解释放并在表面发生富集，从而形成保护性膜层隔绝腐蚀介质。这种自发释放具有快速、可控和微量的特点，同时，沉淀剂遍布于块体铝基复合材料内部。因此，该材料优异的耐蚀性具有自愈性且伴随整个服役周期。
同时，运用上述仿生策略同样研制出了兼具高强高耐蚀的2024以及6061铝基复合材料，表明该策略具有可拓展性，有望能研发出其他高强高耐蚀金属材料，可应用于飞行器、舰船、高速列车等大型装备以及电池极板等新能源领域。
B.传统7系铝合金、传统7系铝基复合材料以及高强高耐蚀7系铝基复合材料在强碱性溶液（1 M NaOH）的腐蚀形貌。
（图片来源：作者供图）
结语
总之，上述新思路解决了铝基材料高强度与高耐蚀不可兼得的矛盾问题，有望能拓宽高强铝合金及其复合材料的应用范围，推动装备轻量化发展。
不仅如此，该思路中的“粘液”和“腺体”均可按需调控，可用于开发功能导向的金属材料，有望衍生发展成为解决金属材料高强度和某一性能（耐蚀、防污、导电等）相矛盾难题的新途径，对推动多功能金属材料发展具有潜在影响力。未来随着研究的深入和技术的不断进步，相信会有更多高强高耐蚀、高强高导电等金属材料被开发出来，为各行各业的发展提供有力支撑。