高強(qiáng)度鋁合金被用于飛機(jī)、新干線、火箭等領(lǐng)域，但氫的脆化作用（氫脆）會導(dǎo)導(dǎo)致鋁合金的強(qiáng)度和延展性降低，使得鋁合金會變得容易損壞，并且長期使用會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

九州大學(xué)研究生院工學(xué)研究院主干教授戶田裕之

以傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋁（LT材料）和含有T納米粒子的鋁（HT材料）為對象，采用電子顯微鏡（a-e）和三維原子探針法（g-i）進(jìn)行的原子級別觀察結(jié)果。f為原子級別模擬的模型和計(jì)算結(jié)果（可捕獲到氫的位點(diǎn)分布和捕獲能量）綜合圖示。（供圖：九州大學(xué)）

九州大學(xué)研究生院工學(xué)研究院主干教授戶田裕之、特任助教王亞飛、巖手大學(xué)助教清水一行等人進(jìn)行了原子級別的模擬，發(fā)現(xiàn)此前未在實(shí)際應(yīng)用中使用過的納米粒子（T納米粒子）能強(qiáng)力且大量地將氫吸藏于內(nèi)部。將目前用于鋁強(qiáng)化的η納米粒子部分置換為T納米粒子，可防止氫脆等現(xiàn)象。戶田教授表示：“此前在實(shí)際應(yīng)用層面完全沒有注意到T納米粒子。只要稍微提高鋁生產(chǎn)工藝的時(shí)效處理溫度，就可以用T納米粒子置換約一半的η納米粒子，所以在產(chǎn)業(yè)層面便于靈活運(yùn)用。”相關(guān)研究已刊登在《Nature Communications》上。

在鋁的生產(chǎn)階段加入鎂和鋅，使MgZn2納米粒子（η納米粒子）高密度分散，由于納米粒子阻礙材料的變形，從而提高了鋁的強(qiáng)度。該方法在二次大戰(zhàn)前就已經(jīng)為人所知，但鋅如果加入過多，盡管會增加鋁的強(qiáng)度，卻也會引發(fā)氫脆和應(yīng)力腐蝕裂紋，成為無法實(shí)際使用的材料。

此外，從鋁中除去氫較難，它還會從濕氣中吸收氫。因此1960年代以后，鋁的強(qiáng)度一直沒有顯著提高。

研究團(tuán)隊(duì)在3年前闡明了鋁的氫脆機(jī)制。即η納米粒子吸附氫，η納米粒子和鋁的界面上氫原子增加，界面的結(jié)合強(qiáng)度下降，產(chǎn)生損壞。

另一方面，T納米粒子（Al2Mg3Zn3）的存在雖然早已為人所知，但被認(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用上無用，所以一直只是學(xué)術(shù)研究的對象。

此次，研究團(tuán)隊(duì)在九州大學(xué)超級計(jì)算機(jī)ITO的模擬中發(fā)現(xiàn)，T納米粒子能吸附大量氫。氫只會在圓筒形η納米粒子的端面劇增，而球狀的T納米粒子可在內(nèi)部吸附氫，貯氫量是η納米粒子的數(shù)百倍。

對此，研究團(tuán)隊(duì)使用原子模擬和SPring-8的光束線來研究了T納米粒子的效果。使用氫含量為平常100倍的鋁，以僅有η納米粒子的材料、η納米粒子和T納米粒子比例為5∶5的材料，在高濕度環(huán)境中進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，觀察氫脆的過程。結(jié)果表明，有T納米粒子的情況下，伸長率增加38%，且氫脆的發(fā)生與僅有η納米粒子的材料相比減少了60%，而強(qiáng)度為同等。另外，氫脆引起的龜裂進(jìn)展在有T納米粒子的情況下會受到強(qiáng)力抑制。

研究團(tuán)隊(duì)在含有T納米粒子的材料中，進(jìn)一步研究了可能存在氫的各個(gè)微細(xì)結(jié)構(gòu)和氫的位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)氫集中在T納米粒子上（氫濃度為η納米粒子的10倍以上），從而抑制了氫脆。戶田教授表示:“η納米粒子的氫含量約為千分之一。另外我們還發(fā)現(xiàn)，此次實(shí)驗(yàn)中T納米粒子吸收的氫僅為其潛在貯氫量的千分之一左右，還可以繼續(xù)吸藏氫。”

實(shí)際制造過程中只需稍微改變一下鋁的生產(chǎn)條件，就能把η納米粒子轉(zhuǎn)換為T納米粒子。以此次的50%T納米粒子為例，只需將鋁的5個(gè)加工與加熱工序中的最后一個(gè)——時(shí)效處理的溫度從120℃提高到150℃，就能將一半的η納米粒子置換為T納米粒子。

研究團(tuán)隊(duì)試制了各種各樣的鋁材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果要生成更多的T納米粒子，可以稍微提高鎂的濃度，或者少量添加銅等物質(zhì)。如今的鋁生產(chǎn)工序中也會添加鎂和銅，因此這種不受氫影響的新型高強(qiáng)度鋁或許很快就能應(yīng)用于工業(yè)制造中。

原文：《科學(xué)新聞》

翻譯：JST客觀日本編輯部