在“雙碳”戰略推動下，“氫能經濟”正逐步成為未來社會發展的關鍵力量。氫能的高效存儲與運輸，對金屬結構材料的服役性能提出了更為嚴苛的要求。其中，鋁合金憑借其輕質、高比強、優異低溫性能等諸多優勢，成為輕量化發展的首選材料，并被視為“氫能經濟”的重要候選。然而，類似于高強鋼和钛合金，鋁合金同樣面臨氫脆問題：當氫原子進入材料内部，其塑性顯著降低，易在低應力下發生脆斷，導緻材料無預警失效。例如，傳統高強鋁合金在僅1~3 ppmw氫含量下，其拉伸延伸率可下降超過50%。

　　氫脆被譽為“金屬界的瘟神”，嚴重制約了鋁合金在氫能系統及潮濕服役環境中的應用。多年來，研究者提出了多種氫脆機制模型，并發展了若幹微觀組織設計方法用于抑制氫脆。得益于三維原子探針等原子級别表征技術的發展，人們逐步認識到：調控鋁合金中的金屬間化合物第二相顆粒，是提升其抗氫脆性能的關鍵途徑。這些顆粒能作為有效的氫陷阱，穩定氫原子，減少氫在晶界、相界等易脆斷區域的偏聚。其中，顆粒對氫的吸附能力以氫結合能（Eb）衡量，Eb越大，其吸氫能力越強。

　　針對抗氫脆鋁合金的重大需求，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室劉剛教授和孫軍院士團隊開展了系統研究。并于近日在《nature》雜志發表突破性成果。

　　文章連接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08879-2

摘自：材料科學

　　研究發現：鋁合金中自然形成的第二相顆粒主要包括三類——在凝固過程中形成的粗大結晶相（Constituent particles）、時效過程中析出的納米沉澱相（Precipitate particles）以及固溶或均勻化處理中形成的亞微米彌散相（Dispersoid particles）。其中，粗大結晶相顆粒雖具高Eb，但數量稀少、分布不均；納米沉澱相雖界面比例大、分布密集，但Eb較低，吸氫能力不足；而彌散相則在吸氫能力和分布特性上處于二者之間。

　　理想的抗氫脆第二相應具備高密度、均勻分布與高Eb三者兼具的特性。由于自然形成的顆粒難以滿足這一要求，研究團隊提出了一種人為構建高Eb納米顆粒的策略：靶向設計析出行為，使其呈現納米化、彌散分布特征。其中，複雜金屬相（Complex Metallic Phase, CMP）因其特殊結構，如二十面體配位、高原子數密度與大晶格常數等，被認為是理想的氫陷阱。尤其是Samson相Al₃Mg₂，其具有近40%的結構空位，第一性原理計算顯示其Eb超過0.9 eV/atom，顯著優于現有鋁合金第二相。

　　然而，Samson相因高形核能壘，往往僅在晶界等高能區形成微米級粗大顆粒，難以在晶粒内實現高密度析出。為此，研究團隊在Al-Mg（Mg含量4.5~7.5 wt.%）合金中微量添加Sc，并設計“兩步熱處理”工藝實現Samson相的納米化析出。第一步通過時效處理，在晶粒内預析出高密度、尺寸分布均一的L1₂結構Al₃Sc納米顆粒（平均尺寸約14 nm）；第二步則利用Al₃Sc與Samson相前驅體Al₃Mg在晶格結構上的相近性，通過類模闆誘導和原子間作用，原位形成了Al₃(Mg,Sc)₂複合納米顆粒。

　　進一步研究發現，Al₃Sc納米顆粒在尺寸小于10 nm時，與基體保持良好的共格性，僅有輕微Mg偏聚；當顆粒尺寸大于10 nm，則在界面形成失配位錯，促進Mg擴散與偏聚，最終生成核殼結構Al₃(Mg,Sc)₂/Al₃Sc複合納米相。雙顆粒協同作用下，細小Al₃Sc顆粒提供強化效應（密度約2.4 × 10²¹ m⁻³），而高Eb的複合納米顆粒（密度約5.6 × 10²¹ m⁻³）顯著提升氫陷阱能力。實驗表明，所制備的Al-Mg-Sc合金相較于未加Sc的合金，強度提升達40%、抗氫脆性能提高近5倍。在高達7.0 ppmw氫含量下，其延伸率下降幅度仍小于10%，拉伸均勻延伸率大于10%，全面優于已報道鋁合金。

　　這一微觀組織調控策略，打破了傳統鋁合金“強度提高必伴随氫脆加劇”的制約，實現了強度與抗氫脆性能的協同提升，開辟了高強抗氫脆鋁合金理性設計的新路徑。

　　結語：

　　西安交通大學團隊在抗氫脆鋁合金領域的突破性研究，不僅為 "雙碳" 戰略下氫能經濟的材料瓶頸提供了切實可行的解決方案，更展現出基礎研究與工程應用深度融合的創新力量。通過巧妙調控複雜金屬相的納米析出行為，團隊成功打破鋁合金強度與抗氫脆性能難以兼顧的固有矛盾，這種微觀組織設計思路為金屬材料的多性能協同優化開辟了新範式。展望未來，随着複雜金屬相在更多功能領域的潛力逐步釋放，金屬材料的結構 - 功能一體化發展必将迎來更廣闊的空間，持續為能源轉型與高端裝備制造注入創新動能。