發現某種類型陶瓷材料,可在室溫下自癒裂縫

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 11 日 18:51 | 分類 材料 Telegram share ! follow us in feedly


陶瓷材料硬度高,耐高溫又耐腐蝕,無論在日常生活還是工業過程都可見到陶瓷材料的活躍,但眾所周知當承受機械應力時,它們就會變得很脆弱。但陶瓷還有一種很神奇的特性,德克薩斯農工大學團隊最新一篇研究指出,一種 MAX 相陶瓷會在室溫下出現以前未知的自癒機制。

由於陶瓷非常耐熱,現實生活中陶瓷材料應用相當廣泛,舉凡材料工程、電子工程、化學工程、機械工程等皆可見,許多金屬和聚合物勝任不了的地方都可考慮改用陶瓷,常見的陶瓷材料包括氧化鋁、氧化鋯、氮化矽、碳化矽陶瓷等。

然而陶瓷也有很明顯的缺點,當置於機械應力下時便很容易開裂破碎,雖然之前已製造了一些可以自我修復裂縫的陶瓷種類,但通常需在高溫環境中才能發生相關化學反應。

不過在德克薩斯農工大學團隊的新研究中,研究人員發現碳化鉻鋁(chromium aluminum carbide)陶瓷可以在室溫下減緩裂紋擴展,甚至能癒合。

這些陶瓷被稱為 MAX 相,由交替的材料層組成,這種結構賦予它們神奇癒合能力,其背後機制也能在地質學中找到:當裂紋出現時,不同層之間會形成急折帶(kink-band),當施加壓力時,急折帶中的晶體會旋轉以阻止裂縫進一步延展。更有趣的是這些旋轉晶體還能積極修復裂縫,停止施加壓力後可能裂縫也已檢測不到。

研究人員便在電子顯微鏡中觀察到 MAX 相陶瓷材料內部形成類似急折帶的結構,不僅阻止裂紋擴展,最重要的是能在室溫環境下自癒裂痕。

團隊雀躍表示,自修復陶瓷在噴射發動機、高超音速飛行器和核反應爐中將能發揮奇效,並且這種效果可能不限於 MAX 相,其他具有類似層狀結構的材料或許也能應用。

新論文發表在《科學前緣》(Science Advances)期刊。

(首圖來源:pixabay