眾所周知，材料在固相是很難相互發生反應的，但是固相反應相較其他反應方法而言又具有很多優勢。固相反應就主要是利用機械力（如壓力，剪力和拉力）對材料各組元成分的作用，促使反應發生的。

    Ames實驗室科學家、愛荷華州立大學的特聘教授Vitalij Pecharsky說：“由于固相反應中不需要溶劑來溶解反應物，因此可以避免從溶劑等反應的廢棄物中引入有害物質；并且固相反應更有利于我們控制反應的方向；除此，由于大部分反應是在室溫下進行的，因此有利于降低反應的所需要的激活能，并且反應產物在室溫下能夠保持亞穩態”。

    固相法獨辟蹊徑，為常規方法難以加工的材料提供了新途徑。例如Pecharsky的球磨法實驗。利用機械化學作用，使整個樣品得到均勻混合—即使原料中一種成分占99.9%，而另一種只占0.1%。Pecharsky說：“固相法可以使兩種物質充分分散，但融化法卻很難均勻分散兩種物質。”

    因為固相法不需要溶劑，大多情況下無需加熱，具有相對較低的能量輸入，所以固相法的成本也相對較低。在很多情況下，固相法在工業/商業值得應用的。

    機械化學球磨法

    顧名思義，球磨法是通過將金屬球與原料放在封閉的球磨罐中，通過機械振動等作用促使化學反應發生，從而使不同的反應物反應生成復合物。Pecharsky認為由于金屬球與球磨罐以及金屬球之間的撞擊，使原料得到研磨，將機械能轉化為化學能從而驅動反應發生的。

    剪力、壓力和拉力的共同作用使化合物中分子結構遭到破壞，表面化學鍵斷裂，促進化學反應發生。而在一般情況下，是通過溶解破壞這些化學鍵的。

    Pecharsky課題組正在研究利用固相法加工金屬氫化物，用來充當儲氫介質。該課題組最近提出，可以用低溫研磨球加工塑料或延展性好的材料。Pecharsky提到：“這些材料在室溫下球磨會發生畸變，但化學鍵不會斷裂，但通過液氮浴來降低溫度，它們就會和大部分材料一樣變得特別脆，易于加工。”

    摩擦整合

    對Ames實驗室來說，摩擦整合是一個嶄新的領域，它利用高壓力和高摩擦力來研磨、破碎反應物，促進新材料的生成。

    艾姆斯氏實驗室科學家、ISU材料科學副教授Jun Cui說：“這是很容易理解的。我們將材料放在一個鋼磨具中，利用旋轉柱塞提供壓力。旋轉柱塞所產生的摩擦力在材料內部會產生剪應力。隨著時間的推移，材料被加熱、變軟最終均勻流動。雖然表面上看起來是一個混亂無序的過程，但是其內部還是有一定秩序的。”

    這種工藝通常使用金屬粉末。因為金屬粉末的初始顆粒尺寸細小，所以容易合并。與球磨法類似，摩擦整合能夠生成其他方法不能生成的微觀結構。Jun Cui說：“例如，你可以將銅和碳納米管一起反應，最終生成納米復合材料。這種新材料的機械強度大于普通的銅材料，但導電性能不會降低；或者也可以制造一種耐腐蝕的鎂-鈦合金。”

    而這種合成的新材料，可以通過擠壓或其他各種工業標準方法加工成型。

    Gleeble 熱機械系統

    另外一種Ames實驗室的新設備：Gleeble系統。這個設備能夠在實驗室模擬很多商業材料加工工藝。最近，設備被安裝在Laboratory's Metals Development 大樓，以便讓研究員精確地控制鑄、鍛、燒和擠壓等大量工藝過程，并探究在這個過程中材料內部到底發生了什么變化。

    Ames實驗的科學家、愛荷華州立大學材料科學與工程專業的副教授Pete Collins指出：“它能夠幫助我們進行精確地測量和監視復雜反應的物理模擬。與計算模擬截然相反，它們兩個是相輔相成的。我們的計算模擬結果可以證明或推翻物理模擬的結果，同時物理模擬可以提示我們計算模型中需要考慮的物理變化。”

    Gleeble系統是Collins接受成為愛荷華州立大學教授啟動協議中的一部分。由于該設備采用電阻加熱法，需要在數秒內將試樣溫度迅速加熱到熔化、鑄造和焊接所需要的溫度，因此其電力需求相當于兩個或兩個以上普通家庭所需要的用電功率。這是將這套設備安置在Ames實驗室的一個主要原因。

    Collins說：“另一個原因是，從材料加工的觀點出發，將Gleeble 熱機械系統放在實驗室與其他制造工具相鄰，將使這套設備更加有意義，例如LENSTM（激光工程化凈成形）3D打印設備，Gleeble將會成為具有高流通量能力的一系列設備中重要的組成部分。我們可以利用該系統快速測試通過LENSTM 3D打印的一系列合金試樣。除此，我們現在不僅有能力去評價其他粉末固態成形技術，也可以利用它去模擬金屬粉末在加壓、加溫的情況下是如何成型的，從而優化反應條件，得到最好的反應產物。”

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責任編輯：劉洋

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