美國發(fā)現(xiàn)金屬材料自我修復(fù)機(jī)制
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自然界中的生物體和具有記憶功能的有機(jī)材料等,在遭受損傷時具有自我康復(fù)的功能。麻省理工學(xué)院的研究人員在一項金屬特性實驗中意外發(fā)現(xiàn)受損的金屬也具有自我修復(fù)的功能。
金屬合金分子結(jié)構(gòu)電腦模擬顯示,微晶粒之間的邊界會在壓力下出現(xiàn)裂痕。大多數(shù)金屬都是由細(xì)微的晶粒構(gòu)成,這些晶粒的大小和方向能夠影響金屬的強度和特性。但在某些條件下,壓力可以讓這種晶粒的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變:使晶界(晶粒邊界)發(fā)生移動,而晶界移動則是修復(fù)“創(chuàng)傷”的關(guān)鍵。
近幾十年來,科研人員對固體金屬中晶界的移動一直開展著研究,但發(fā)現(xiàn)只有某些晶界才發(fā)生導(dǎo)致自我修復(fù)的現(xiàn)象,即只有部分晶界延伸到一個晶粒,但不是所有部分。這造成了一種被稱之為“向錯”的缺陷。實際上早在一個世紀(jì)前“向錯”就已經(jīng)被觀察到,但當(dāng)時認(rèn)為這只是一種奇特現(xiàn)象。當(dāng)麻省理工學(xué)院(MIT)材料科學(xué)和工程教授邁克爾·戴姆克維茲和研究生徐國強在實驗中意外發(fā)現(xiàn),金屬中晶界在受外力作用產(chǎn)生裂痕后可以開展全面的修復(fù)行為,而且這種自我修復(fù)功能其實是向錯缺陷帶來的結(jié)果。
為重現(xiàn)這一現(xiàn)象,他們?yōu)橹⒘擞嬎銠C(jī)模型,通過模型演示能清楚地觀察到金屬材料在遭受外力創(chuàng)傷時,晶界發(fā)生移動從而完成自我修復(fù)的過程。戴姆克維茲教授認(rèn)為,金屬內(nèi)部原則上都存在一個縮小外力造成裂痕的機(jī)制。
向錯有強烈的應(yīng)力場,“實際上它們完全可以減弱外加負(fù)載產(chǎn)生的影響�!贝髂房司S茲教授說,“當(dāng)破裂的材料兩邊被撕開時,這種機(jī)制阻止裂痕不再進(jìn)一步擴(kuò)大,并且使之產(chǎn)生愈合�!�
發(fā)現(xiàn)這個機(jī)制后,MIT的研究人員計劃進(jìn)一步研究如何設(shè)計出相應(yīng)的金屬合金,以便在特殊應(yīng)用條件下產(chǎn)生自我修復(fù)的功能。戴姆克維茲教授指出,合金微觀結(jié)構(gòu)控制技術(shù)已經(jīng)存在,現(xiàn)在只需要計算出如何獲得理想的結(jié)果�!拔覀�?yōu)橹蜷_了通途,如何設(shè)計出可以自我復(fù)原的金屬材料不會太久。”
詳細(xì)研究成果發(fā)表于近期出版的《物理評論通訊》上。
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