超硬24/23K納米黃金的科學技術研究

Description

黃金的強度/硬度一般是非常低的，如何在不改變其純度的前提下提高其強度/硬度一直是困擾人們的一個難題。在材料研究領域，人們發現，材料的強化機制通常有晶界強化、孿晶界強化，固溶強化和彌散加強顆粒強化。這些強化方法都是基於對阻止位錯運動的缺陷的控制上。例如，使用本研究小組開發的SMAT技術，可以製備出納米晶/納米孿晶黃金，使得24K黃金的硬度提高至3~5倍（接近18K金的硬度）。然而，這種強化效應不能被無限地擴大。引入過多的缺陷會使得材料的主導變形機制由位錯相關過程向缺陷軟化行為轉變。例如，當晶粒尺寸小於10nm時，塑性變形機制被晶界滑移和晶界軟化所取代，從而導致了所謂的反Hall-Petch效應的出現。因此，納米晶/納米孿晶材料的的強度通常位於s=E/85區域（其中s為強度，E為楊氏模量）。這也是為什麼使用SMAT技術製備的黃金的硬度不能再繼續提升的原因。在本研究組近期的研究中，全球首創製備出了超納雙相-玻璃納米晶（Supra-nano-dual-phase glass-crystal）合金結構。超納化的鎂合金具備3.3 GPa的超高強度，達到了近理論值E/20（其中，E為材料的楊氏模量）。超納被定義為每相的尺度均小於10nm，玻璃意為廣義的非晶態。這一成果近期發表在《自然》上，並作為2017年5月4日刊封面文章報導。據悉，這是21世紀以來，中國的物理科學（包括結構材料、力學與機械工程）研究成果首次登上《自然》雜誌封面 （https://www.nature.com/articles/nature21691）。超納材料使用特殊的磁控濺射方法製備，結構為超納米晶均勻彌散分佈於非晶殼中。多重初生剪切帶形成與納米晶粒的塑性變形的這種變形機制為材料提供了超高的強度及變形能力。由於超納材料的強度位於E/20區間，黃金進行超納化後，其強度/硬度將會是相同成分普通黃金的至少5倍。因此，超納黃金的製備及大規模應用是非常迫切的。首先通過成分調控設計出18K及24K超納黃金，接著通過控制磁控濺射參數（氬氣壓、濺射功率和基片溫度等）來調控超納結構，最終以製備出具有近理想強度的超強超納黃金。 SMAT 及超納黃金鍍膜將能大大提高抗抗摩擦效能。在金飾產業化研究方面，設計SMAT工藝以處理金飾的外表面及內部（如金鐲的內表面），之後使用磁控濺射工藝分別在金飾的外表面及內部沉積超納黃金，並可控制超納黃金成分以實現對金飾不同顏色的控制。設計符合典型金戒指和金鐲尺寸的SMAT設備或夾具、磁控濺射設備或夾具以實現超強/超硬黃金產品的產業化。項目資金主要用於儀器設備(Angstrom Engineering NexDep Sputtering System)的購置，合共98萬人民幣，為期兩年。