【材料科學】陶瓷裂痕能夠實現自我快速癒合的新技術——向飛行器發動機實現自我修復裂痕邁進一大步

2021-01-21 客觀日本

根據日本國立研究開發法人物質與材料研究機構的新聞稿報導，其與橫浜國立大學合作的研究團隊發現，陶瓷的自我修復與骨頭的自我癒合一樣，具有炎症、修復、修改三個過程。此外，該研究團隊根據骨骼癒合機制的提示，通過在晶體的邊界處配置促進破裂陶瓷癒合的物質（氧化錳），在航空器引擎運行時的1000℃的條件下，成功開發出了裂痕最快在1分鐘內便能實現完全自我修復的新型陶瓷材料（如下圖所示）。


(左)自我修復的樣子，最快1分鐘。(右)穿插在網格中的氧化錳（綠色）可以促進癒合（圖片來自新聞稿）


自1995年橫濱國立大學的研究小組發現了可以自愈裂紋的新型陶瓷材料以來，作為航空器發動機渦輪的輕型耐熱材料，該材料一直受到全球的矚目。然而，由於癒合的機制與原因不明，並且必須在1200〜1300℃的特定溫度範圍內才會完全修復，科學家們長期以來一直期待闡明裂紋癒合的機制，並希望開發出可以在各種溫度範圍內實現高速癒合的新型陶瓷材料。


該研究組研究發現，在可自我癒合的新型陶瓷材料出現裂紋後，滲入裂紋中的氧氣會與陶瓷內的碳化矽發生反應合成二氧化矽（類似骨骼的炎症），然後在陶瓷本體中的氧化鋁和二氧化矽反應填充裂縫（類似骨骼的修復），最後結晶化後會回復到陶瓷原來的強度（類似骨骼的修改期），陶瓷通過這三個階段實現了癒合修復。根據促進骨頭癒合的人類體液網絡的提示，研究組還發現，如果使用以往的陶瓷，在1000℃的環境下裂紋癒合需要1000個小時，而在氧化鋁的晶粒界面上配置極微量的可激活陶瓷癒合的氧化錳後，最快只需要一分鐘便可成功實現自我癒合。未來該研究結果可應用於飛行器的發動機中，為實現發動機裂痕的自我修復帶來希望。


該研究結果已於2017年12月19日在英國的《Scientific Reports》雜誌在線版發表。


文/客觀日本編輯部

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