陶瓷裂痕能够实现自我快速愈合的新技术——向飞行器发动机实现自我修复裂痕迈进一大步

新技术 2018年01月09日

根据日本国立研究开发法人物质与材料研究机构的新闻稿报道,其与横浜国立大学合作的研究团队发现,陶瓷的自我修复与骨头的自我愈合一样,具有炎症、修复、修改三个过程。此外,该研究团队根据骨骼愈合机制的提示,通过在晶体的边界处配置促进破裂陶瓷愈合的物质(氧化锰),在航空器引擎运行时的1000℃的条件下,成功开发出了裂痕最快在1分钟内便能实现完全自我修复的新型陶瓷材料(如下图所示)。

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(左)自我修复的样子,最快1分钟。(右)穿插在网格中的氧化锰(绿色)可以促进愈合 图片来源

自1995年横滨国立大学的研究小组发现了可以自愈裂纹的新型陶瓷材料以来,作为航空器发动机涡轮的轻型耐热材料,该材料一直受到全球的瞩目。然而,由于愈合的机制与原因不明,并且必须在1200〜1300℃的特定温度范围内才会完全修复,科学家们长期以来一直期待阐明裂纹愈合的机制,并希望开发出可以在各种温度范围内实现高速愈合的新型陶瓷材料。

该研究组研究发现,在可自我愈合的新型陶瓷材料出现裂纹后,渗入裂纹中的氧气会与陶瓷内的碳化硅发生反应合成二氧化硅(类似骨骼的炎症),然后在陶瓷本体中的氧化铝和二氧化硅反应填充裂缝(类似骨骼的修复),最后结晶化后会回复到陶瓷原来的强度(类似骨骼的修改期),陶瓷通过这三个阶段实现了愈合修复。根据促进骨头愈合的人类体液网络的提示,研究组还发现,如果使用以往的陶瓷,在1000℃的环境下裂纹愈合需要1000个小时,而在氧化铝的晶粒界面上配置极微量的可激活陶瓷愈合的氧化锰后,最快只需要一分钟便可成功实现自我愈合。未来该研究结果可应用于飞行器的发动机中,为实现发动机裂痕的自我修复带来希望。

该研究结果已于2017年12月19日在英国的《Scientific Reports》杂志在线版发表。

文/客观日本编辑部

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