研究人员利用二氧化硅纳米棒来改善Al-10Zn合金 具有抑制腐蚀和强化作用

盖世汽车讯 据外媒报道，埃及研究团队认为，在铝-锌（Al-10Zn）合金中加入1wt .%的二氧化硅纳米棒，可以增强耐腐蚀性，并限制失效事件。研究人员已通过微结构、机械和电化学研究进行了相关验证。最近，该研究论文发表在期刊《科学报告（Scientific Reports）》上。

（图片来源：nature.com）

目前，Al-Zn合金广泛应用于海洋工程和轨道交通等行业，但由于焊缝处易发生应力腐蚀开裂，其进一步应用受到限制。为了制造具有增强机械性能的Al-Zn组件，人们提出了各种解决方案，例如参数优化和改变合金成分，而利用纳米结构来增强合金已成为富有前景的概念。这项研究探讨了二氧化硅纳米结构对Al-Zn合金的物理、机械和电化学性能的影响。

研究人员将1 wt.%的商用二氧化硅纳米粉末（10-80 nm粒径）添加到AZ合金中。将所得纳米复合材料（AZS）在500 °C下进行两小时的固溶处理（solution-treat），然后在冷水中淬火。随后，研究人员将AZ和AZS样品在423、443和463K下老化2小时。

扫描电子显微镜（SEM）图像显示，所制备的复合材料具有均匀的微观结构，包含两种不同的冶金相（α-Al基体和β-Zn相）。晶界上存在明显的成核Zn粒子，可以支持SiO2纳米棒相互粘附，从而在外部晶界处形成沉淀物，并提高样品强度。

AZ合金在添加SiO2并经过老化后出现晶粒细化。与铸件样品相比，所有老化样品的结构都表现出更均匀的Zn和SiO2分布，尤其是在AZS中（与AZ基合金相比）。随着老化温度从423 K升高到443 K，AZ和AZS拉伸应力-应变曲线向更高的应力值移动，但在463 K时屈服应力最终下降。AZ和AZS的硬度值随老化温度的升高而降低，在443 K（转变温度）时明显升高。此外，随着腐蚀电流密度降低，AZS的腐蚀速率低于AZ。随着老化温度的升高，AZ和AZS的腐蚀过程受到抑制。铝基合金的电化学和机械性能得到提高，要归因于均匀分布的SiO2纳米结构。

研究人员进行了全面分析，探讨添加二氧化硅纳米棒和不同老化温度对Al-10Zn合金微观结构（及其机械和电化学性能）的影响。与Al-10Zn块体相比，因二氧化硅纳米棒形成的超细晶粒使合金硬度提高了13.8%，极限抗拉强度提高了79%，耐腐蚀性提高了89.4%。因此，二氧化硅纳米棒结合适当的老化效果，有助于实现卓越的纳米复合材料，使其在负载下的失效事件有限且耐腐蚀性高。

这项研究成果可以扩大含二氧化硅的Al-Zn合金在汽车、建筑和航空航天工业中的应用。