中國儲能網訊：不論是在宇宙中還是在地球上，氫都是最常見的元素。元素周期表中，氫是結構最簡單、體積最小的原子，因而能輕易溶解進入許多固體材料中，改變材料性能。在眾多的材料和性能中，金屬基材料的力學性能受氫的影響最為嚴重，因而長期以來受到工業(yè)界和學術界的廣泛關注。繼2015年在《自然-材料》上發(fā)文揭示了金屬合金/保護層之間氫致界面失效的新機制之后，材料學院微納中心團隊在氫致材料脆性的機理方面再次取得了重大突破，詳細內容于2016年11月3日發(fā)表在《自然-通訊》上。
金屬由于其較高的強度和塑韌性而被廣泛用作結構材料，然而，早在 1874年，英國皇家學會的Johnson就發(fā)現(xiàn)，鐵絲在酸性溶液中浸泡一會兒之后，原本可承受十多次彎曲才能折斷的鐵絲，只需要兩三下彎曲就被折斷了。Johnson推測這可能是由于鐵與酸反應生成的氫浸入鐵內部而導致的。后來的幾十年間，人們發(fā)現(xiàn)氫降低材料塑性發(fā)生在幾乎所有重要的金屬與合金中，是一個普遍的現(xiàn)象，并給這種現(xiàn)象起了一個專有名字：氫脆。氫脆會導致材料過早斷裂，從而引發(fā)安全事故。歷史上，很多輪船的斷裂、直升機的墜毀、石化工廠的爆炸、油氣田中的鉆桿斷裂等事故都和氫脆有著密切的關系。
盡管氫脆現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)已有上百年的歷史，在世界范圍內人們對材料發(fā)生氫脆的微觀機理也進行了不懈探索，但截至目前仍沒有達到共識。焦點在于基于宏觀的試驗和一些原位電子顯微鏡的觀察，人們普遍認為氫對金屬材料的塑性載體-位錯不僅沒有阻礙作用，甚至可以促進位錯運動，但最近的模擬工作卻預測了截然不同的結果。機理認知上的不足，直接影響到對氫脆現(xiàn)象的有效防護，從而威脅到人們的生產和生活安全。
圖：循環(huán)應力作用下，金屬鋁中的位錯在充氫之后運動停止
在系統(tǒng)而全面的文獻調研的基礎上，單智偉研究團隊的青年教師解德剛博士借助微納中心特有的環(huán)境透射電鏡與原位力學測試平臺，以令人信服的證據(jù)確認了氫不僅能導致金屬鋁中的位錯產生強烈釘扎，而且發(fā)現(xiàn)該過程可逆，即在停止供氫一段時間后，被釘扎的位錯又可以在外力的作用下恢復運動能力。但出乎意料的是，這種釘扎作用需要將含氫材料靜置幾十分鐘才有效，這與前人所預期的時間相差了至少三個量級，據(jù)此提出充氫原子與空位的結合體而不是氫原子本身在該過程中起到了主導作用。在李巨教授的指導下，李蘇值博士對上述機制進行了計算機模擬計算，所得到結果與提出的機制高度吻合。上述發(fā)現(xiàn)顛覆了人們近三十年來的認知，期待對氫脆的預防起到積極的指導意義。
參與該工作的研究人員包括：西安交通大學微納中心的解德剛博士、博士生李蒙、王章潔副教授、孫軍教授和單智偉教授，麻省理工學院李巨教授、約翰霍普金斯大學馬恩教授、卡斯魯爾厄理工學院李蘇植博后和Peter Gumbsch教授。該研究工作受到國家自然科學基金（51231005,51401159,51321003）及其它項目的資助。
