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新材料让陶瓷不再脆弱

发布:2016-12-30 8:48:51  来源: 瓷库中国 [字体: ]

可能会有这样一个气球,它里面没有充满任何轻气体,却很充盈,在你面前能够漂浮起来,但是内部却是真空的。是科学家Greer的实验结果,她的实验室三维陶瓷纳米晶格在被压缩了50%之后又得以恢复。和她的同事正着力于开发这种材料以及许多其他具有前所未有的组合性质的材料。比如,他们可能开发一种轻型热绝缘材料,或者轻巧硬朗而不易碎的材料——它们各自都拥有相互矛盾的性质。

 

Greer的团队开发了一种制造新材料的方法,该法是利用固体在纳米级别所显现的特殊性质。这些性质均已在0.1纳米精度下经受测试。在《Science》杂志9月12日刊上发表的一篇论文中,加州理工学院的研究者解释了他们是如何使用这种方法来制造一种空气含量在99.9 %左右却仍然十分硬的陶瓷,且该陶瓷在破碎率达50%的情况下还可恢复原状。

 

“陶瓷一直被视作一种硬而脆的材料,”加州理工学院工程与应用科学系材料科学与力学教授Greer说道,“而我们证明了这两种性质其实可以不同时存在。研究结果清楚表明如果你利用纳米级的特性创造一些结构,然后使用这些像LEGO一样的纳米结构来构建更大的材料,你就可以获得具有各种组合性质的材料。总之,你只需设计出材料就可将它构建出来。”

 

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研究人员使用一种叫做双光子光刻的激光直写技术在一种高分子材料中“写入”一个三维结构,即通过激光光束的照射让高分子发生局部交联硬化。被激光照射过的部分材料会保持结构完整而其他部分则会被溶解掉,只留下一个三维骨架。然后我们可以在这个骨架上涂覆一层薄薄的材料——该材料可以是金属、合金、玻璃、半导体等等。之后,研究人员使用另一种方法将骨架中的高分子剥离出来,留下一个空心结构。

 

这项技术前景无限,Greer说道。鉴于许多材料都可以在这个骨架上堆积成型,该项技术对光学、能源效率及生物医学领域的技术发展十分有利。比如,我们可将它用于骨骼的再生,用生物相容性较好的材料制造骨架使细胞在其上增殖。

 

在近期工作中,Greer和她的学生使用该项技术生产了一种由重复的纳米模型组成的三维纳米晶格。在模型建立后,她们在高分子骨架上涂覆一层氧化铝陶瓷材料(即铝的氧化物),构建出中空管状的氧化铝结构,整个结构的厚度在5-60纳米内,管直径在450-1380纳米内。

 

Greer的团队接下来准备测试他们制造的各种纳米晶格的力学性能。实验使用两种不同的设备来检验纳米材料。他们猛烈挤压或拉伸材料,总之使样品发生变形以观察其承受极限。

 

他们发现厚50纳米、管径1微米的氧化铝结构在压缩时会发生破碎。这并不惊奇,陶瓷,尤其是多孔的陶瓷都很脆。然而,当压缩管壁厚与管径的比例比较小的晶格时——管壁厚仅10纳米——却产生了非常不同的结果。

 

“你使它发生了变形,但是它却突然弹了回来,”Greer说道,“在某些情形中,我们能够使这些样品变形的比例达到85%,然后他们又恢复原状。”

 

陶瓷、硅、玻璃这些都是比较脆的材料,因为充满了空穴和杂质,因此极易发生碎裂。材料越完美,你越不可能发现它结构的缺点。因此,研究人员假定,当你将结构削弱到一定程度——即厚度仅10纳米时,缺陷的数量和所有缺陷的尺寸都达到了最小化的状态,整个结构也最不可能失效。纳米晶格的尺寸非常小,可以有效改善材料的性能,并且只需极少量的材料就可以制造出获得想要的结果。

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