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冷焊为未来的自我修复设备带来了希望

时间:2023-08-17   访问量:76

一项新的研究表明,金属中的微小裂纹可以自我修复,这表明自我修复机器有一天可以逆转它们所遭受的损坏。

当机器中的金属零件反复受到应力时,就会形成微小的裂纹,随着时间的推移,裂纹会不断扩大和扩散,直到零件断裂。高达 90%的金属结构损坏都是由这种疲劳造成的,而且通常以灾难性且不可预测的方式发生。

先前的研究调查了在加热激活潜在愈合成分后可以自我修复的金属。现在科学家发现金属中的微观裂纹可以完全自行消失。

“这一发现最终可能会带来减轻金属疲劳裂纹的新策略,”该研究的共同作者、新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心的材料科学家Brad Boyce说。

在这项新研究中,桑迪亚的研究人员最初分析了真空中 40 纳米厚的铂箔片中裂纹是如何形成和扩散的。研究人员使用应桑迪亚要求开发的可安装在电子显微镜中的新仪器,以每秒 200 次的速度反复拉动金属边缘,以对箔片施加应力。

令人惊讶的是,实验进行约 40 分钟后,损坏情况发生了逆转。裂纹的一端沿着 18 纳米的长度重新熔合在一起,没有留下任何痕迹。随着时间的推移,随着实验的继续,裂缝沿着不同的方向重新打开。

这种自愈背后的秘密是一种称为冷焊的现象。金属通过金属键结合在一起,其中每个原子的最外层电子可以在材料的整体结构周围自由移动。这意味着当两块平坦、干净的金属接触时,它们可以熔合在一起。金属键的性质意味着,对于每块金属中的原子和自由电子来说,这两块金属之间没有区别,它们的行为就好像它们是一个连接的块一样。

冷焊在日常生活中并不常见,因为金属通常会覆盖一层氧化物和其他污染物,从而阻止冷焊的发生。然而,它可能会导致太空问题——例如,美国宇航局木星伽利略探测器的高增益天线在1991年未能完全打开,因为冷焊将其部分熔合在一起。

科学家们已经知道,当金属被压在一起时会发生冷焊。然而,2013 年,当时麻省理工学院的材料科学家迈克尔·德姆科维奇 (Michael Demkowicz ) 和当时的研究生徐国强 ( Guoqiang Xu)进行的计算机模拟表明,即使没有压缩,冷焊也可以治愈微观裂纹。新的发现支持了之前的工作。

“我很高兴看到这样一个违反直觉的预测获得实验验证,”现就职于德克萨斯农工大学大学城分校的德姆科维奇说道。

博伊斯警告说:“这并不是一个大裂缝,而且它并没有完全自行愈合。这是一条微小的裂缝,只能在裂缝的尖端自行愈合。”

尽管如此,金属即使是微小的裂纹也能自我修复,这可能会得到应用。“所有损伤都始于纳米尺度,”这项新研究的共同资深作者德姆科维奇说。“如果我们能在裂缝还小时就将其治愈,我们就可以将损害消灭在萌芽状态。”

博伊斯说,科学家们现在想看看这种自愈是否可以在空气而不是真空中以及在钢等合金中发生。他补充说,最终,他们希望设计出能够有意利用这种效应的材料。


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