铝制品表面为啥会长“痘”？

《科技日报》2015年7月4日第1版

      科技日报讯 （记者史俊斌）当“安静”的铝制品遇见“淘气”的氢原子，为何“肌肤”表面会冒出“痘痘”？这个存在超过50年的谜团，已被西安交通大学金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心科研人员破解，其成果发表在最新出版的世界著名期刊《自然》上。
      “宇宙中氢的质量分数在70％以上，人类造的任何飞行器在太空航行时都必须考虑氢对材料性能的影响，这项发现对很多与氢有关的未解之谜都有着重要的启示。”西安交大微纳中心主任单智伟教授告诉科技日报记者，“比如半导体芯片中的导线基底界面劣化、电厂的汽轮机叶片的氧化皮脱落、核电站中有大量的质子辐射环境以及高温水汽环境等等。”
      科研人员发现，对于“纤瘦”的氢原子而言，刚玉中的原子间隙如此之大，它们可以在其中来去自如。氢原子的随性“游走”会破坏金属铝和刚玉之间“手拉手”的紧密联系，从而使一部分铝原子“重获自由”。这些铝原子也会在氧化物和金属铝的界面上自由运动，并在金属铝的一侧形成很多微小的坑。随着坑的不断长大，氢原子拥有足够的空间重新结合形成氢分子并对氧化膜产生压力。当坑的直径大到某一临界尺寸时，氧化膜就会被撑得产生塑性变形，并向外鼓出形成气泡。而气泡密度足够大时，氧化膜保护层便会脱落，最终导致材料失效。这是在石化、海洋、核、航空航天及半导体等工业里常见的金属材料失效原因之一，此前人类对其原子尺度的机理一直不甚明了。传统的表面鼓泡理论只能解释气泡的生长，对于气泡的形核则缺乏理论及实验证据。
      西安交通大学的这一研究发现填补了氢致界面失效现象起源的实验和理论空白，有助于人们找到防止氢致界面失效的方法，提高材料在含氢环境中的服役寿命。此项研究工作得到国家自然科学基金、973项目及111项目的资助。