九州大学等研制出不受氢影响的高强度铝，通过置换纳米粒子强化材料

高强度铝合金被用于飞机、新干线、火箭等领域，但氢的脆化作用（氢脆）会导导致铝合金的强度和延展性降低，使得铝合金会变得容易损坏，并且长期使用会产生应力腐蚀裂纹。

九州大学研究生院工学研究院主干教授户田裕之

以传统高强度铝（LT材料）和含有T纳米粒子的铝（HT材料）为对象，采用电子显微镜（a-e）和三维原子探针法（g-i）进行的原子级别观察结果。f为原子级别模拟的模型和计算结果（可捕获到氢的位点分布和捕获能量）综合图示。（供图：九州大学）

九州大学研究生院工学研究院主干教授户田裕之、特任助教王亚飞、岩手大学助教清水一行等人进行了原子级别的模拟，发现此前未在实际应用中使用过的纳米粒子（T纳米粒子）能强力且大量地将氢吸藏于内部。将目前用于铝强化的η纳米粒子部分置换为T纳米粒子，可防止氢脆等现象。户田教授表示：“此前在实际应用层面完全没有注意到T纳米粒子。只要稍微提高铝生产工艺的时效处理温度，就可以用T纳米粒子置换约一半的η纳米粒子，所以在产业层面便于灵活运用。”相关研究已刊登在《Nature Communications》上。

在铝的生产阶段加入镁和锌，使MgZn2纳米粒子（η纳米粒子）高密度分散，由于纳米粒子阻碍材料的变形，从而提高了铝的强度。该方法在二次大战前就已经为人所知，但锌如果加入过多，尽管会增加铝的强度，却也会引发氢脆和应力腐蚀裂纹，成为无法实际使用的材料。

此外，从铝中除去氢较难，它还会从湿气中吸收氢。因此1960年代以后，铝的强度一直没有显著提高。

研究团队在3年前阐明了铝的氢脆机制。即η纳米粒子吸附氢，η纳米粒子和铝的界面上氢原子增加，界面的结合强度下降，产生损坏。

另一方面，T纳米粒子（Al2Mg3Zn3）的存在虽然早已为人所知，但被认为在实际应用上无用，所以一直只是学术研究的对象。

此次，研究团队在九州大学超级计算机ITO的模拟中发现，T纳米粒子能吸附大量氢。氢只会在圆筒形η纳米粒子的端面剧增，而球状的T纳米粒子可在内部吸附氢，贮氢量是η纳米粒子的数百倍。

对此，研究团队使用原子模拟和SPring-8的光束线来研究了T纳米粒子的效果。使用氢含量为平常100倍的铝，以仅有η纳米粒子的材料、η纳米粒子和T纳米粒子比例为5∶5的材料，在高湿度环境中进行强度试验，观察氢脆的过程。结果表明，有T纳米粒子的情况下，伸长率增加38%，且氢脆的发生与仅有η纳米粒子的材料相比减少了60%，而强度为同等。另外，氢脆引起的龟裂进展在有T纳米粒子的情况下会受到强力抑制。

研究团队在含有T纳米粒子的材料中，进一步研究了可能存在氢的各个微细结构和氢的位点，发现氢集中在T纳米粒子上（氢浓度为η纳米粒子的10倍以上），从而抑制了氢脆。户田教授表示:“η纳米粒子的氢含量约为千分之一。另外我们还发现，此次实验中T纳米粒子吸收的氢仅为其潜在贮氢量的千分之一左右，还可以继续吸藏氢。”

实际制造过程中只需稍微改变一下铝的生产条件，就能把η纳米粒子转换为T纳米粒子。以此次的50%T纳米粒子为例，只需将铝的5个加工与加热工序中的最后一个——时效处理的温度从120℃提高到150℃，就能将一半的η纳米粒子置换为T纳米粒子。

研究团队试制了各种各样的铝材料，结果发现，如果要生成更多的T纳米粒子，可以稍微提高镁的浓度，或者少量添加铜等物质。如今的铝生产工序中也会添加镁和铜，因此这种不受氢影响的新型高强度铝或许很快就能应用于工业制造中。

原文：《科学新闻》

翻译：JST客观日本编辑部