新型金属氧化物涂层:可像液体一样流动,修复功能强大

新材料
新型金属氧化物涂层:可像液体一样流动,修复功能强大
麻省理工科技评论 2018-04-15

2018-04-15

近日,MIT 的研究人员发现一种可用于金属容器的固体氧化物保护涂层。当该涂层非常薄时,会变形犹如液体,填充所有可能生成的裂缝和缺口。
新材料
近日,MIT 的研究人员发现一种可用于金属容器的固体氧化物保护涂层。当该涂层非常薄时,会变形犹如液体,填充所有可能生成的裂缝和缺口。

近日,MIT 的研究人员发现一种可用于金属容器的固体氧化物保护涂层。当该涂层非常薄时,会变形犹如液体,填充所有可能生成的裂缝和缺口。该项研究发表在期刊《Nano Letters》上。

该涂层应该对防止微小分子的泄露特别有用。这些微小分子可以穿透大多数材料,比如可用作燃料电池汽车动力的氢气,或者在核电站核心形成的放射性氚(氢的一种同位素)。大多数金属(除了金以外)暴露在空气和水中,通常会被氧化。氧化反应会逐渐削弱金属,最终导致裂纹或者结构失效。比如,被氧化后,铁表面会生成铁锈,银会变得没有光泽,铜/青铜表面会生成铜锈。然而,有三种已知元素经氧化后,会生成起着保护层作用的氧化物,能够防止进一步的氧化,即氧化铝、氧化铬和二氧化硅。MIT 核工程与科学以及材料科学与工程专业的教授 Ju Li 表示,“我们一直尝试着研究为什么氧化铝和二氧化硅具有优异的抗腐蚀性。”

MIT 研究生 Yang Yang 带领的团队利用非常专业的设备,仔细观察镀有氧化物涂层的金属表面,在暴露于氧气气氛以及被施加压力的情况下,会发生什么。由于透射电子显微镜(TEM)通常要求在高度真空气氛中观察样品,所以该研究团队利用了改良版 TEM,即 E-TEM。E-TEM 可在一定的气氛或者液体存在情况下,研究样品。该设备被用于研究可能产生应力(单位面积上所承受的附加内力)腐蚀裂痕的过程。金属在反应容器中承受压力,或者暴露在过热蒸气中,如果没有保护措施,将会被快速腐蚀。即使镀有固态保护涂层,还是产生裂纹,使得氧气能够穿透到金属表面,然后穿透到金属颗粒界面,导致更深层的腐蚀,并最终导致结构失效。 Yang 表示,“我们想要一种犹如液体的氧化物,可防止产生裂纹。”

结果表明,如果足够薄到大约 2-3nm,氧化铝可表现出类似液体的流动行为,甚至是在室温下。通常而言,人们认为金属氧化物易碎并产生裂纹。至今没有其他人能够观察到上述现象,因为在实际条件下观察材料行为实在太难了。这也就是为何要利用布鲁克黑文国家实验室的 E-TEM(世界上大约仅有 10 台这样的设备)来进行研究。Yang 表示,“至今无人观察到氧化铝在室温下是如何变形的。”Li 表示,“第一次,我们几乎在原子级分辨率下观察该现象。”研究表明,氧化铝涂层通常很脆弱以致于压力下会被损坏,而如果是非常薄的涂层,则可犹如金属铝薄层(比铝箔还要薄的薄层)一样可变形。当氧化铝涂层到块体铝表面的时候,类似液体的流动使其覆盖在铝表面而形成保护层。

利用 E-TEM,研究人员观察到带有氧化铝涂层的金属铝可以拉伸到 2 倍以上的长度,并不会产生任何裂纹。氧化物形成了非常均匀的保形层(没有任何晶界或者裂纹),即使是在拉伸状态下也可保护金属表面。专业来讲,该材料是一种玻璃,但是只要足够薄,它又可像液体一样运动,并完全覆盖在金属表面。Yang 表示,人们可能无法想象金属氧化物可以如此柔软(犹如金属的变形能力),比如可被拉伸成薄丝。比如,蓝宝石(主要成分是氧化铝)的结晶块体材料,就非常坚硬且易碎。Li 表示自修复涂层由于其平滑和连续表面(没有任何裂纹或晶界)的优势,有很多潜在应用。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech