（香樟推文）铝和镁很轻韧性好_装修攻略

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2009年12月15日，世界上最省油的商用喷气式飞机—波音787完成了首飞。该客机主要由碳纤维增强聚合物复合材料制成(重量比为50%，高于波音777的12%)(1)。具有更高强度/重量比的复合材料大大取代了传统金属;铝的使用量已经下降到20%(777是50%)。自20世纪50年代以来，“工程材料”主要指金属(2)，金属在工程材料中的份额一直在减少。这种趋势背后的原因是什么，哪些应用可能留在金属材料领域?

金属作为结构材料的主要性能限制是其低比强度(强度/重量比)。大多数工程设计要求结构材料具有高强度、断裂韧性(一种衡量裂纹扩展所需能量的指标)和刚度，同时使重量最小。大多数金属具有高强度和刚度，但由于它们密度大(钢的密度是陶瓷和聚合物的几倍)，相对于其他材料，它们的强度/重量和刚度/重量比都很低(见图)。这是金属在飞机和体育用品中被取代的一个关键原因，在这些领域，重量是首要考虑的因素。虽然铝和镁很轻，但在许多应用领域中，它们太软了，韧性和刚度都很低。钛合金在一定程度上克服了这些问题:它们的密度大约是钢的一半，强度更高，而且韧性好。钛首次用于飞机是在20世纪60年代的波音707，在波音787中钛的使用量增加到15%(1)。

金属可以通过控制内部缺陷的产生和阻碍位错运动的边界来得到强化(3)。但是，与聚合物复合材料在更高强度下增加韧性相比，这种策略会损害延展性和韧性(见图)。强化也可能损害其他金属性能，如导电性和耐腐蚀性。强化金属而不失去韧性的一种方法是晶粒细化(减小晶粒尺寸)，但当晶粒尺寸低于~1 μm时，强化通常伴随着延展性和韧性的下降(4)。最近的一项研究指出了克服这一问题的方法:在含有纳米碳化物强化的超细铁素体晶粒的低合金钢中，当温度从60℃降至-60℃时，韧性和强度都有所提高(5)。相比之下，传统金属在较低温度下变得强而脆。作者将观察到的增韧归因于钢中独特的层状各向异性纳米结构。

纳米孪晶金属是具有非凡力学性能的层状纳米结构金属的另一个例子(3)。当将高密度的孪晶界(具有相同晶格结构的两个晶粒之间高度对称的界面)纳入多晶铜晶粒中，并且具有纳米尺度的边界间距时，该材料的强度比粗晶铜强10倍;它的延展性也很强。超强纳米孪晶铜具有与高导电性铜相当的导电性(6)和更强的抗电迁移能力(7)。它在微电子领域具有巨大的应用潜力。

腐蚀是另一个让金属头疼的问题。为了保护金属不受腐蚀，通常会在金属表面涂上一层耐腐蚀材料。中国的杭州湾大桥就是这种技术的一个突出例子。这座长达36公里的桥梁是迄今为止世界上最长的桥梁，设计寿命为100年，由数千根长度约为80米的混凝土钢管制成的柱子支撑。在恶劣的海洋环境中，新型聚合物复合材料涂层与阴极构件相结合，可以防止管道腐蚀。

还可以通过在金属表面形成连续的防护钝化层来抵抗金属腐蚀。例如，等人(9)在传统的奥氏体不锈钢中添加了2.5%的Al，从而形成了一层氧化铝保护层，可以在高温下抵抗进一步氧化。使他们增强抗氧化，这些钢可以在高温和恶劣氧化条件下的能量转换系统中使用，以取代目前使用的昂贵的镍基高温合金(专门为高温应用开发的金属)。提高金属耐腐蚀性的另一个途径是改变表层的化学成分。但大多数这样的过程需要高温，这可能导致金属基板的严重劣化。如果通过表面机械磨损处理将表面层的晶粒细化到纳米级，则可以大大降低加工温度(10)。

金属在高温下也会变软;它们很少在1000℃以上使用，并且拥有可用的强度。高温合金具有更高的工作温度(镍基高温合金可达~1150℃)，使其能够用于喷气涡轮发动机等高温应用。基于熔点较高的金属，如钼和铌，可开发用于更高工作温度的高温合金(11)。

尽管有这些限制，金属仍然是我们社会的主要材料，并且在未来仍将如此，这要归功于其独特的特性，使其不可替代。

首先，金属具有比其他材料高得多的断裂韧性(见图);钢是已知最坚硬的材料。因此，金属通常用于对可靠性和耐久性要求最高的关键部件，例如桥梁电缆，建筑物中的混凝土加固和车身框架。波音787包含相当数量的金属(45%)，主要是在对可靠性要求最高的关键部件，如发动机、机翼和起落架。

其次，金属在各个方向上的性能是均匀的，它们在拉伸和压缩的强度是相同的。此外，金属的强度通常是可以预测的。这些特征对于预测工程结构的断裂非常重要。相比之下，复合材料和陶瓷的断裂预测仍然非常困难;它们的断裂通常是灾难性的(材料一次全部失效)，可能造成严重的经济损失甚至生命损失。因此，许多先进技术继续依赖于高性能金属。例如，在下一代核电站中，只有极其坚韧的金属合金才能在严酷的辐射和温度条件下使用。材料本身必须承受严重的腐蚀和负载条件，这也需要先进的坚韧金属。

第三，大多数金属比陶瓷和聚合物的导电性更好。铜和铝仍然是输电线路的最佳材料。信息技术中使用的导线和散热片大多由铜及其合金制成。金属还具有独特的磁性，这在其他材料中不易复制。

第四，金属在高达几百度的温度下具有最佳的整体机械性能。这涵盖了化学工程、发电站和各种发动机的大部分操作温度环境。最后，大多数金属都是可回收的，这使得金属在批量应用方面更具竞争力。

现代技术不仅强烈依赖于金属的这些独特性质，而且迫切需要更好的金属。在不牺牲其他性能的情况下提高金属的强度对其竞争力至关重要。多尺度层状结构为优化整体性能提供了可能的途径。金属也可以与其他材料以可控的方式混合，形成复合结构。以这种方式将金属与其他组件组装在一起—例如，在新的增强材料或层状组件中—可能会将它们的强度/韧性比移向图中的右上角。因此，不同材料领域的发展可能会相互受益。

材料比较：钢的韧性最高，而碳纤维的强度最高；钛合金和聚合物复合材料由于其出色的综合性能，越来越多地用于飞机和体育用品；适于结构应用的先进材料研究方向是右上角[数据来自(2)]

参考文献

1. 787 Fact Sheet ( Corp.,2007; see ).

2. M. F. Ashby, in (, , ed. 3, 2005).

3. K. Lu, L. Lu, S. , 324, 349 (2009).

4. M. A. , A. , D. , Prog. Mater. Sci. 51,427 (2006).

5. Y. , T. Inoue, F. Yin, K. , 320, 1057(2008).

6. L. Lu, Y. Shen, X. Chen, L. Qian, K. Lu, 304, 422(2004).

7. K.-C. Chen, W.-W. Wu, C.-N. Liao, L.-J. Chen, K. N. Tu, 321, 1066 (2008).

8. A. King, G. , D. , W. , J. , 321, 382 (2008).

9. Y. et al., 316, 433 (2007).

10. X. Si, B. N. Lu, Z. B. Wang, J. Mater. Sci. . 25, 433(2009).