科学家破解氢致界面失效之谜

科学家破解氢致界面失效之谜

 

本报讯（通讯员程洪莉 记者张行勇）生活中常见的铝制品通常稳定耐用，因为它的表面会自然形成一层致密而坚硬的氧化铝保护膜（俗称“刚玉”）。但在含氢环境中，铝制品表面常常会鼓出气泡，最终导致氧化膜保护层脱落，乃至材料失效。这一现象，被称为“氢鼓泡”。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。尽管此前各国研究人员进行了大量研究，但对其原子尺度的机理一直不甚明了。

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的科研人员破解了这一难题，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。此项成果发表在6月30日出版的《自然—材料》上。

科研人员发现，原来，对于“纤瘦”的氢原子而言，刚玉中的原子间隙如此之大，以至于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”，氢原子会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，氧化膜就会被撑得发生塑性变形，并向外鼓出，形成气泡。

据了解，此项研究中，科研人员一改以往楔形的样品设计，采用微纳尺度的金属铝圆柱体，通过环境透射电子显微镜观察氢气氛围下金属和氧化界面的动态演化过程，以令人信服的证据无可争辩地证明了氢致表面氧化物鼓泡的晶向依赖性。

该中心主任单智伟告诉记者：“这项发现对很多与氢有关的未解之谜都有重要的启示，比如半导体芯片中的导线基底界面劣化等。”