从鳗鱼到金属：科学家开发出新型高强高耐蚀铝合金
从鳗鱼到金属：科学家开发出新型高强高耐蚀铝合金
在金属材料领域，如何让材料既保持高强度又具备高耐腐蚀性，一直是一个难以攻克的难题。最近，中国科学家从鳗鱼分泌粘液的自然现象中获得灵感，成功开发出一种新型的高强高耐蚀铝合金材料，为解决这一难题提供了新的思路。
铝合金的广泛应用与挑战
铝是地壳中含量第三高的元素（仅次于氧和硅），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。例如，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。然而，传统的强化方法往往会导致铝合金的耐腐蚀性能下降，形成一个难以调和的矛盾。
向自然学习：鳗鱼的启示
研究团队从鳗鱼的自然防御机制中获得灵感。鳗鱼在遇到危险时，会通过皮肤的腺体自发分泌粘液进行自我保护。受此启发，研究团队设想：如果金属材料也能在受到外部腐蚀时，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。
鳗鱼（图片来源：veer图库）
研究团队选择了可溶性钼酸盐、磷酸盐等无机盐作为“粘液”，这些物质可以与腐蚀产生的Al3+离子反应生成沉淀，抑制金属铝的腐蚀。为了将这些“粘液”安全地储存在金属中，研究团队选择了碳纳米管作为“腺体”。碳纳米管不仅能够通过外壁传递载荷来增强金属铝的强度，其内腔还可以装载无机沉淀剂。
碳纳米管（图片来源：veer图库）
当金属材料接触到腐蚀介质时，水可以通过毛细作用进入碳纳米管内腔，溶解其中的沉淀剂。在浓度梯度的驱动下，沉淀剂会自发扩散到金属/溶解界面，与Al3+离子反应生成保护性膜层，从而抑制腐蚀。
突破性的实验结果
研究团队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。这种新材料具有约700 MPa的超高抗拉强度，同时在耐晶间腐蚀和耐剥落腐蚀方面均达到最优等级。更令人惊讶的是，这种材料在强腐蚀性碱性介质中浸泡2天也不会发生明显腐蚀，腐蚀速率仅有0.10.15 mm/a，是目前最耐蚀纯铝的百分之一。
铝卷（图片来源：veer图库）
这种材料不仅在酸、碱、盐环境中均表现出优异的耐腐蚀性，其耐腐蚀性还具有自愈性且伴随整个服役周期。研究团队还成功将这一创新思路应用于2024和6061铝合金，证明了该策略的可拓展性。
未来展望
这一创新性研究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。
本文原文来自科普中国