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 高溫合金決定著高溫領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展速度，因此開(kāi)發(fā)可承受高溫且不會(huì)腐蝕的合金是很多領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，如可再生和可持續(xù)能源技術(shù)、太陽(yáng)能和固體氧化物燃料電池，以及航空、材料加工和石油化學(xué)等領(lǐng)域都需要應(yīng)用到高溫合金。近日，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員，對(duì)合金在高溫下的行為方式做了一些系統(tǒng)的研究，并在技術(shù)上取得了重大進(jìn)展。該成果被發(fā)表在了《Nature Materials》雜志上，其采用理論和計(jì)算的方法觀察和分析氧化鋁生長(zhǎng)過(guò)程中元素和水的相互作用，為提高合金性能提出了新的方法。

聚光太陽(yáng)能便是一種迫切需要高強(qiáng)度、耐高溫腐蝕合金的技術(shù)。圖片為位于西班牙的PS20太陽(yáng)能發(fā)電廠，該發(fā)電廠于2009年開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)。

在高溫下，合金會(huì)與環(huán)境發(fā)生劇烈的反應(yīng)，導(dǎo)致材料的腐蝕失效。為了防止這種情況的發(fā)生，人們通常會(huì)在高溫合金的表面鍍上一層氧化鋁或氧化鉻的薄膜。這種氧化薄膜在防止金屬腐蝕方面起著決定性的作用。因此，對(duì)高溫腐蝕中氧化膜的研究就顯得格外重要，我們需要搞清楚它們的形成機(jī)理，高溫下抗腐蝕的原因，以及它們是如何失效的。

《Nature Materials》中的這篇文章回答了該領(lǐng)域的兩個(gè)經(jīng)典問(wèn)題。一個(gè)是高溫合金中普遍存在的所謂“活性元素”（通常為釔和鋯）的影響；第二個(gè)是關(guān)于水蒸汽在防腐中的作用。

查爾姆斯大學(xué)物理系材料研究員，也是該研究的第一作者Nooshin Mortazavi說(shuō)：“在合金中添加活性元素會(huì)使性能得到巨大改善，但是迄今為止還沒(méi)有人能夠提供可靠的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。同樣，水也一直以蒸汽的形式存在于高溫環(huán)境中，但人們對(duì)此也知之甚少。我們的工作將有助于解開(kāi)這些謎題。”

在這篇文章中，查爾姆斯的研究人員向人們展示了這兩種因素之間的聯(lián)系。并演示了合金中的活性元素是如何促進(jìn)氧化鋁薄膜生長(zhǎng)的，正是由于這些活性元素的存在，才導(dǎo)致了氧化膜向內(nèi)生長(zhǎng)，從而促進(jìn)了水蒸汽能從環(huán)境向合金基底運(yùn)輸。活性元素和水之間的相互作用，又促進(jìn)了亞穩(wěn)態(tài)“雜亂”納米氧化鋁層的形成。

“這篇報(bào)道推翻了高溫腐蝕科學(xué)界中幾個(gè)被公認(rèn)的'真理'，并為新合金的研究和開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了令人振奮的新途徑，”高溫腐蝕中心主任Lars Gunnar Johansson教授說(shuō)。

“業(yè)界所有人都在期待這一發(fā)現(xiàn)，這是高溫氧化領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，”Nooshin Mortazavi說(shuō)，“我們現(xiàn)在正在制定新的理論，以便在非常高的溫度下了解這類材料的降解機(jī)理。”

除此之外，查爾姆斯的研究人員還提出了一種制備更耐蝕合金的方法。他們表明，活性元素顆粒存在一個(gè)臨界尺寸，當(dāng)其超過(guò)一定尺寸時(shí)，活性元素顆粒便會(huì)引起氧化膜的開(kāi)裂，從而使合金基材更多的暴露于腐蝕環(huán)境中，導(dǎo)致腐蝕加劇。這也意味著我們可以通過(guò)控制合金中活性元素顆粒的尺寸，來(lái)獲得一種更耐腐蝕的高溫氧化膜。

來(lái)自查爾姆斯理工大學(xué)的這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究，為未來(lái)制備出一種更堅(jiān)固、更安全、更耐腐蝕的合金指明了道路。

高溫合金在很多領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用，因此它們對(duì)新型和可再生能源技術(shù)也是至關(guān)重要的，如生物質(zhì)“綠色”能源，生物質(zhì)氣化、碳捕獲和儲(chǔ)存生物能源、聚光太陽(yáng)能和固體氧化物燃料電池等。它們?cè)谠S多其他重要技術(shù)領(lǐng)域如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、石油化學(xué)和材料加工領(lǐng)域也發(fā)揮著極大的作用。

隨著對(duì)耐高溫材料需求的不斷增長(zhǎng)，該成果既可用于開(kāi)發(fā)新的高溫技術(shù)，也可用于提高現(xiàn)有技術(shù)的制備效率。

例如，如果飛機(jī)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪葉片可以承受更高的溫度，則發(fā)動(dòng)機(jī)便可以更高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，從而為航空工業(yè)節(jié)約大量的燃料。或者，如果人們能夠生產(chǎn)出具有更優(yōu)異性能的耐高溫蒸汽管道，那么生物質(zhì)燃料發(fā)電廠便可大幅提升每千克燃料的產(chǎn)熱效率。

腐蝕是這些領(lǐng)域內(nèi)材料開(kāi)發(fā)的主要障礙之一，而查爾姆斯的研究人員為人們提供了開(kāi)發(fā)耐高溫腐蝕合金的新工具，為氧化物的研究開(kāi)辟了新途徑，這無(wú)疑是為高溫材料領(lǐng)域的研究人員打了一劑強(qiáng)心針。