发现某种类型陶瓷材料,可在室温下自愈裂缝

陶瓷材料硬度高,耐高温又耐腐蚀,无论在日常生活还是工业过程都可见到陶瓷材料的活跃,但众所周知当承受机械应力时,它们就会变得很脆弱。但陶瓷还有一种很神奇的特性,德克萨斯农工大学团队最新一篇研究指出,一种MAX相陶瓷会在室温下出现以前未知的自愈机制。

由于陶瓷非常耐热,现实生活中陶瓷材料应用相当广泛,但凡材料工程、电子工程、化学工程、机械工程等皆可见,许多金属和聚合物胜任不了的地方都可考虑改用陶瓷,常见的陶瓷材料包括氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅陶瓷等。

然而陶瓷也有很明显的缺点,当置于机械应力下时便很容易开裂破碎,虽然之前已制造了一些可以自我修复裂缝的陶瓷种类,但通常需在高温环境中才能发生相关化学反应。

不过在德克萨斯农工大学团队的新研究中,研究人员发现碳化铬铝(chromium aluminum carbide)陶瓷可以在室温下减缓裂纹扩展,甚至能愈合。

这些陶瓷被称为MAX相,由交替的材料层组成,这种结构赋给它们神奇愈合能力,其背后机制也能当地质学中找到:当裂纹出现在,不同层之间会形成急折带(kink-band),当施加压力时,急折带中的晶体会旋转以阻止裂缝进一步延展。更有趣的是这些旋转晶体还能积极修复裂缝,停止施加压力后可能裂缝也已检测不到。

研究人员便在电子显微镜中观察到MAX相陶瓷材料内部形成类似急折带的结构,不仅阻止裂纹扩展,最重要的是能在室温环境下自愈裂痕。

团队雀跃表示,自修复陶瓷在喷射发动机、高超音速飞行器和核反应炉中将能发挥奇效,并且这种效果可能不限于MAX相,其他具有类似层状结构的材料或许也能应用。

新论文发布在《科学前缘》(Science Advances)期刊。

(首图来源:pixabay)

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