由日本國立材料研究所和橫浜國立大學(xué)組成的研究小組（NIMS-YNU研究小組）近日發(fā)現(xiàn)，自愈陶瓷會經(jīng)歷三個與骨愈合過程類似的愈合階段，即炎癥階段、修復(fù)階段和重塑階段。利用骨愈合機(jī)制，研究小組在晶粒邊界處添加了一種愈合活化劑，使得陶瓷能夠在飛機(jī)發(fā)動機(jī)高達(dá)1,000°C的工作溫度下，在短短一分鐘內(nèi)將裂縫完全愈合（文章題目為“A Novel Design Approach for Self-Crack-Healing Structural Ceramics with 3D Networks of Healing Activator” （裂紋自愈合結(jié)構(gòu)陶瓷新設(shè)計：添加三維網(wǎng)絡(luò)的愈合活化劑））。

    圖中 左邊和中間展示了陶瓷中的自愈過程，只需一分鐘即可完成；右邊展示的是三維網(wǎng)絡(luò)氧化錳（綠色），其可促進(jìn)陶瓷自我修復(fù)（圖片來源：NIMS）自愈陶瓷是由YNU研究小組于1995年發(fā)現(xiàn)的。由于具有輕量和耐高溫的特點，它們在飛機(jī)發(fā)動機(jī)中主要用作渦輪材料，引起了全球研究者廣泛的關(guān)注。然而，研究者們對它們的自我修復(fù)機(jī)制還了解甚少，裂紋只能在1200?1300℃這一有限的溫度范圍內(nèi)完全愈合。因此，長期以來，尋找能夠在較大溫度范圍內(nèi)快速自愈的陶瓷機(jī)理及相關(guān)理論的發(fā)展一直是研究的主要內(nèi)容。

    研究小組發(fā)現(xiàn)，自愈過程會經(jīng)歷三個階段：當(dāng)陶瓷開裂時，氧氣會通過裂縫進(jìn)入，并與碳化硅（陶瓷的成分之一）反應(yīng)形成二氧化硅，此階段稱為炎癥階段。隨后，氧化鋁（陶瓷的基礎(chǔ)材料）和二氧化硅反應(yīng)形成填縫材料，將裂縫密封，該階段稱之為修理階段。最后，填料結(jié)晶以恢復(fù)裂紋部分的原始強(qiáng)度，此為重塑階段。

    此外，研究小組受人體內(nèi)體液循環(huán)網(wǎng)絡(luò)會促進(jìn)受損骨骼愈合的啟發(fā)，將一種愈合活化劑——氧化錳，添加到氧化鋁晶界中，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

    結(jié)果，與在1,000℃下1,000小時內(nèi)愈合裂紋的常規(guī)陶瓷相比，新開發(fā)的陶瓷在1000℃下大約只需1分鐘就可完全愈合裂紋。

    基于這些研究結(jié)果，研究小組計劃開發(fā)新型的耐熱陶瓷。通過選擇有效的愈合活化劑，使陶瓷避免發(fā)生破裂，從而精確控制陶瓷的自愈能力。

    該項目由NIMS結(jié)構(gòu)材料研究中心高級研究員Toshio Osada領(lǐng)導(dǎo)，Toru Hara為小組組長，成員有首席研究員Taichi Abe（RCSM，NIMS），Takahito Ohmura （RCSM副主任，NIMS），首席研究員Masanori Mitome（國際材料納米建筑研究中心，NIMS）和Wataru Nakao教授（YNU工程學(xué)院）。這項研究由JSPS青年科學(xué)家撥款（B）（No. JP24760093），JST先進(jìn)低碳技術(shù)研究與發(fā)展計劃和MEXT納米技術(shù)平臺日本計劃資助。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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