生活中的鋁
鋁是地殼中含量第三高的元素（僅次於氧和矽），同時，由於金屬鋁具有密度小、強度高、易加工等特點，鋁合金在國民經濟和國防等各個領域均得到了廣泛套用。
金屬鋁的密度只有金屬鐵密度的約1/3，因此，以鋁合金為代表的鋁基材料是飛機、車輛、艦船等裝備輕量化的關鍵材料，其大規模套用不僅能夠顯著降低飛機、車輛等民用裝備的燃料消耗，減少溫室氣體排放，還能夠提高武器裝備的機動性、航程和載彈量，對於節能減排、國防安全等具有重要意義。
近年來，在全球應對氣候變遷的緊迫背景和在「雙碳」戰略目標驅動下，裝備輕量化對鋁基材料（包括鋁合金、鋁基復合材料等）提出了更高強更耐蝕的迫切需求。高的強度可以保證更少的材料，即可承載更大的載荷，高的耐蝕性可以保證無需大量防腐塗裝，均有利於輕量化。
金屬鋁由於能自發地在表面形成Al2O3保護膜，通常具有較好的耐蝕效能，這也是我們日常生活中很多鋁合金制品（如鋁合金門窗等）不容易發生腐蝕（生銹）的根本原因。
然而，這些鋁合金強度往往較低（成年人徒手即可使很多鋁合金門窗框變形），無法滿足高強度的要求。
如何在保證耐腐蝕的基礎上提高鋁合金的強度？
在金屬鋁中引入強化相（包括向金屬鋁中加入鎂、鋅、銅等其他金屬元素所形成的析出相和向金屬鋁中加入陶瓷顆粒、碳納米管等增強相），是開發高強鋁基材料最有效的方法，由此也發展出2系（鋁-銅合金）、7系（鋁-鋅-鎂合金）等高強鋁合金，已成為航空航天和裝備輕量化的關鍵材料（例如2系鋁合金是飛機蒙皮的主要材料）。
然而，強化相的引入在提高強度的同時，會顯著降低鋁合金的耐蝕效能，這是因為強化相與金屬鋁基體之間存在本征的腐蝕電位差異，極易產生微電偶效應而發生加速腐蝕。
強化相對強度有利、對耐蝕性不利的相反作用導致鋁合金普遍存在高強度與高耐蝕不可兼得的矛盾（即強度越高，耐蝕性越差，如下圖所示），這是制約高強鋁合金套用和發展的瓶頸。如何設計開發出兼具高強度和高耐蝕性的鋁基材料，已成為國內外學術界和工業界的關註熱點和研究難點。
動畫片啟發，思路有了！
為了解決高強鋁基材料不耐腐蝕的問題，研究者們采取了成分最佳化、熱處理調控、相界面最佳化等諸多措施，雖然在一定程度上提升了耐蝕性，但往往以犧牲強度為代價或導致強度提升不明顯。
其根本原因是這些措施局限於透過調控強化相的成分、尺寸和分布來最佳化力學和腐蝕效能，沒有改變強化相「對強度有利、對耐蝕有害」的矛盾角色。因此，需要另辟蹊徑，尋找高效的兼顧力學強化與抑制腐蝕的全新材料設計方法。
因為我本身是研究腐蝕防護的，所以首先從腐蝕的角度來嘗試解決這個問題。偶然一次在陪女兒看動畫片時，了解到一些鰻魚在受到外界刺激（例如遇到危險）時，會透過皮膚的腺體自發分泌粘液進行自我保護。
受此啟發，我聯想到如果金屬材料也能在受到外部腐蝕（外界刺激）時，也能夠自發「分泌」某種物質在表面形成保護膜，那麽就能實作金屬材料的自發耐蝕了。
要想實作這一思路，需要解決三方面問題：選擇什麽物質作為金屬中的「粘液」？選擇什麽物質作為金屬中的「腺體」？在受到外部腐蝕刺激時金屬中的「腺體」能否自發分泌「粘液」抑制腐蝕？
根據已有知識，可溶性鉬酸鹽、磷酸鹽等無機鹽（沈澱劑）可以與腐蝕產生的Al3+離子反應生成沈澱，能夠抑制金屬鋁的腐蝕，因此，其可以作為所需的「粘液」。
然而，無機鹽與金屬之間是完全不相容的，直接把無機沈澱劑加入金屬鋁中必然會嚴重影響成型性和強度。 因此，我們需要尋找一個「腺體」在裝載沈澱劑的同時，還能與金屬鋁實作界面相容。
研究表明，碳納米管可以透過外壁傳遞載荷等機制進行力學強化，已被成功套用於增強金屬鋁的強度。值得註意的是，目前添加到塊體金屬材料中的碳納米管的內腔大多是中空的，而這個空腔恰恰能填充物質。受此啟發，我們就可以將碳納米管作為「腺體」，利用其內腔把無機沈澱劑加到金屬中。
同時，碳納米管還是一種納米毛細管，當接觸水溶液（外部腐蝕介質）時，水可以透過毛細作用進入碳納米管內腔，溶解其內部負載的沈澱劑，在濃度梯度的驅動下，碳納米管內腔的沈澱劑就可以自發擴散到金屬/溶解界面，與腐蝕產生的Al3+離子反應生成沈澱，從而抑制腐蝕。
由此可見，碳納米管「腺體」在受到外部腐蝕溶液刺激時，可以透過「腺體」利用毛細作用自發分泌「粘液」來抑制腐蝕。據此，我提出了「內生沈澱劑為粘液，中空碳納米管為腺體，毛細作用為分泌驅動力」的仿生設計新策略，並利用真空負載技術和粉末冶金技術成功制備出高強高耐蝕的塊體7系鋁基復合材料。
該材料具有~700 MPa的超高抗拉強度，塑性滿足套用要求，耐晶間腐蝕等級為N級（最優級），耐剝落腐蝕等級為1級（最優級），且無應力腐蝕敏感性，其強度和耐蝕性的綜合匹配超過了目前公開報道的其他鋁合金（圖A）。
不僅如此，該材料在酸、堿、鹽環境中均具有極低的腐蝕速率，表明其具有優異的腐蝕環境適應力。
值得一提的是，其在強腐蝕性堿性介質中浸泡2天也不發生明顯腐蝕（圖B），腐蝕速率僅有0.15 mm/a，是最耐蝕的純鋁的一百分之一，顛覆了金屬鋁不耐堿腐蝕的傳統認知。與之相比，傳統7系鋁合金及其復合材料在強堿中發生了嚴重腐蝕，7系鋁基復合材料甚至被腐蝕成渣了（圖B）。
優異的耐蝕性主要是因為毛細作用能夠誘導沈澱劑自發從碳納米管中溶解釋放並在表面發生富集，從而形成保護性膜層隔絕腐蝕介質。這種自發釋放具有快速、可控和微量的特點，同時，沈澱劑遍布於塊體鋁基復合材料內部。因此，該材料優異的耐蝕性具有自愈性且伴隨整個服役周期。
同時，運用上述仿生策略同樣研制出了兼具高強高耐蝕的2024以及6061鋁基復合材料，表明該策略具有可拓展性，有望能研發出其他高強高耐蝕金屬材料，可套用於飛行器、艦船、高速列車等大型裝備以及電池極板等新能源領域。
A.高強高耐蝕7系鋁基復合材料強度和耐蝕性的綜合匹配超過了目前公開報道的其他鋁合金。
（圖片來源：作者供圖）
B.傳統7系鋁合金、傳統7系鋁基復合材料以及高強高耐蝕7系鋁基復合材料在強堿性溶液（1 M NaOH）的腐蝕形貌。
（圖片來源：作者供圖）
結語
總之，上述新思路解決了鋁基材料高強度與高耐蝕不可兼得的矛盾問題，有望能拓寬高強鋁合金及其復合材料的套用範圍，推動裝備輕量化發展。
不僅如此，該思路中的「粘液」和「腺體」均可按需調控，可用於開發功能導向的金屬材料，有望衍生發展成為解決金屬材料高強度和某一效能（耐蝕、防汙、導電等）相矛盾難題的新途徑，對推動多功能金屬材料發展具有潛在影響力。未來隨著研究的深入和技術的不斷進步，相信會有更多高強高耐蝕、高強高導電等金屬材料被開發出來，為各行各業的發展提供有力支撐。
出品：科普中國
作者：王政彬（中國科學院金屬研究所）
監制：中國科普博覽
