科学家破解氢致界面失效之谜

(通讯员、通讯员张)生活中常用的铝制品通常是稳定耐用的，因为其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”)。然而，在含氢的环境中，气泡经常在铝产品的表面冒泡，最终导致氧化膜保护层脱落，甚至材料失效。这种现象被称为“氢气鼓泡”。当气泡密度足够大时，氧化膜的保护层会脱落，最终导致材料失效。虽然各国的研究人员已经做了大量的研究，但是原子尺度的机制仍然不清楚。

Xi交通大学金属材料强度国家重点实验室微纳材料行为研究中心的研究人员已经解决了这个问题，帮助人们找到防止氢致界面失效和提高含氢环境中材料使用寿命的方法。研究结果发表在6月30日的《自然材料》上。

研究人员发现，对于“薄”氢原子来说，刚玉中的原子间隙非常大，它们可以*进出。氢原子的随机“游走”将破坏铝和刚玉之间的“牵手”紧密联系，从而使一些铝原子“*”。这些铝原子也在氧化物和金属铝的界面上*移动，并在金属铝的一侧形成许多微小的凹坑。随着坑继续“长大”，氢原子将有足够的空间重组形成氢分子，并对氧化膜施加压力。当凹坑的直径大于某一临界尺寸时，氧化膜将被支撑而塑性变形并向外凸出以形成气泡。

据了解，在本次研究中，研究人员改变了以往的楔形样品设计，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下金属和氧化界面的动态演化过程，用令人信服的证据无可争议地证明了氢致表面氧化物鼓泡的晶体取向依赖性。

该中心主任单志伟告诉记者:“这一发现对许多与氢有关的未解之谜有着重要的意义，比如半导体芯片中导线衬底界面的退化。”

中国科学新闻(2015-07-02，第一版集锦)