氫是發(fā)展可持續(xù)工業(yè)過程的一種很有前途的燃料，但它的使用受到氫脆的阻礙——氫脆是一種使金屬變?nèi)醪⒖赡軐?dǎo)致突然失效的現(xiàn)象。現(xiàn)在，來自日本的研究人員提供了第一個將表面粗糙度與鐵中氫引起的原子級缺陷聯(lián)系起來的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。利用正電子湮滅壽命光譜，他們發(fā)現(xiàn)粗糙的表面會導(dǎo)致更多的缺陷積累，這為通過精密表面工程設(shè)計(jì)抗氫材料提供了新的見解。

　　隨著全球努力實(shí)現(xiàn)碳中和和減緩氣候變化，氫已成為一種有前途的燃料和能源載體。氫在消耗時只產(chǎn)生水，可以幫助工業(yè)過程、發(fā)電和運(yùn)輸脫碳。然而，實(shí)現(xiàn)這一愿景需要龐大的基礎(chǔ)設(shè)施——從高壓儲罐到專用管道——由于氫的性質(zhì)，這些基礎(chǔ)設(shè)施必須承受持續(xù)的材料應(yīng)力。

　　最大的障礙之一是氫脆。這是一個復(fù)雜的現(xiàn)象，金屬，包括用于運(yùn)輸氫氣的高強(qiáng)度鋼，其機(jī)械性能可能嚴(yán)重惡化，而導(dǎo)致突然失效。

　　在過去的幾十年里，科學(xué)家們已經(jīng)確定了導(dǎo)致氫脆的關(guān)鍵因素。氫與金屬的結(jié)構(gòu)相互作用，促進(jìn)被稱為位錯的現(xiàn)有缺陷的移動。反過來，這會導(dǎo)致材料晶體結(jié)構(gòu)中的原子缺失（或“空缺”）。

　　雖然氫脆背后的一般機(jī)制已經(jīng)在大部分材料中得到了廣泛的研究，但對于這種現(xiàn)象如何在材料表面發(fā)生卻知之甚少。具體來說，尚不清楚拋光或研磨等常見金屬制造步驟如何影響最終導(dǎo)致材料失效的原子水平因素。

　　在最近的一項(xiàng)研究中，由日本千葉大學(xué)（Chiba University）工程研究生院助理教授Luca Chiari領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組提供了彌合這一知識差距所需的第一個實(shí)驗(yàn)證據(jù)。他們的研究結(jié)果發(fā)表在2025年9月24日的《國際氫能雜志》（International Journal of Hydrogen Energy）上，闡明了不同的表面條件如何影響帶氫的純鐵的原子結(jié)構(gòu)。

　　該研究由同樣來自千葉大學(xué)的Kansei Yamamoto和日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所（AIST）的Koji michihio博士共同撰寫。

　　研究人員系統(tǒng)地研究了表面粗糙度如何影響各種氫相關(guān)缺陷的形成和大小。為此，他們使用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械拋光技術(shù)制備了具有四種不同表面粗糙度的高純度鐵片。然后，他們將樣品置于機(jī)械張力下，同時通過電解溶液和電流給樣品充氫，導(dǎo)致氫誘導(dǎo)缺陷的形成。

　　該研究的關(guān)鍵創(chuàng)新之一是用于分析表面缺陷的測量技術(shù)：正電子湮滅壽命譜（PALS）。這種高靈敏度、非破壞性的方法使用電子的反物質(zhì)粒子，稱為正電子，作為原子尺度的探針，精確定位和測量材料中缺陷的大小，如位錯和空位簇。通過使用慢速正電子束，研究小組能夠探測鐵樣品近淺層的缺陷，將它們與大部分材料中的缺陷隔離開來。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著表面粗糙度的增加，氫誘導(dǎo)空位團(tuán)簇的大小也隨之增大。簡單地說，估計(jì)粗糙樣品中的簇比光滑樣品中的簇含有更多的缺失原子。有趣的是，這被證明是一種局部效應(yīng)，無論表面如何拋光，材料中空位團(tuán)簇的大小都保持不變。

　　因此，研究人員發(fā)現(xiàn)，由表面附近的機(jī)械加工引起的密集的位錯網(wǎng)絡(luò)可以為氫創(chuàng)造超濃縮的陷阱，導(dǎo)致原子空位積聚成更大的簇，而這正是裂紋經(jīng)常發(fā)生的地方。

　　這些發(fā)現(xiàn)提供了第一個實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明表面粗糙度等宏觀特征，可以直接決定最終導(dǎo)致氫環(huán)境中裂紋大小。因此，這項(xiàng)研究可能會導(dǎo)致一種基于精密表面工程的全新材料設(shè)計(jì)和制造方法，以對抗氫脆。

　　通過精確控制表面粗糙度，工程師們可能可以防止這些大空位簇的形成，從而產(chǎn)生天然的抗氫金屬。

　　Chiari博士說：“研究結(jié)果提供了對氫脆機(jī)制的基本理解，并有助于降低氫技術(shù)中使用的材料的整體生命周期成本。此外，PALS的成功應(yīng)用對材料科學(xué)和工程具有更廣泛的影響。”

　　“我們的工作可以將這項(xiàng)技術(shù)定位為材料認(rèn)證和在役檢查的新標(biāo)準(zhǔn)，為確保氫基礎(chǔ)設(shè)施的完整性提供新的范例。這項(xiàng)工作是朝著設(shè)計(jì)安全可靠材料的基本指導(dǎo)方針邁出的重要一步，這是向氫經(jīng)濟(jì)過渡所迫切需要的。”

　　（素材來自：Chiba University 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）