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工程师让金属泡沫像骨骼一样"自愈"添加时间:2019-09-27

盖世汽车讯 据外媒报道,6000年来,人类一直在利用金属制造东西,因为金属坚固且坚韧,需要特别大的能量才会被破坏。但同时,一旦金属发生破坏,也会需要很大的能量才可以被修复。通常,修复金属的过程包括利用焊接炬熔化金属,温度可达6300华氏度(约合3315.56摄氏度)。   

  (图片来源:宾夕法尼亚大学)   不过现在,美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的工程师们研发出一种在室温下修复金属的方法,称之为“愈合”法,因为其与骨骼愈合的方式类似,都需要从外部来源获取原材料和能量。该项研究由机械工程与应用里学习助理教授James Pikul与其实验室的研究生Zakaria Hsain合作进行。   除了有些金属修复需要将其熔化至更柔韧的形式,由此产生了能源成本之外,有些金属部件甚至无法采用此种修复策略。例如,熔融会破坏金属泡沫复杂的内部结构,而金属泡沫是含有泡沫气孔的特种金属材料。此种金属内部具有间隔,因而在减少材料重量的同时,可以保持整体强度。   在探索修复此类多孔金属的方法时,Pikul和Hsain研究了现有的“自我愈合”材料,此种材料大多都由相对柔软的聚合物和塑料制成。Pikul表示:“现在大家采用“自我愈合”法都是在聚合物中注入不同的化学物质,当聚合物破裂时,化学物质就会被释放出来,像环氧树脂一样混合在一起,从而将材料粘合在一起。”此种方法适用于“愈合”聚合物,因为聚合物可以流动,而在室温下相对容易重塑,不过也意味着聚合物的强度有限。   
  (图片来源:Pikul研究小组)   为了修复金属泡沫,研究人员首先需要找到一种方法,让它们“感觉”到自己被破坏的地方。而金属泡沫通常比聚合物具有更好的结构性能,因此研究人员意识到,不在聚合物中封装其他用于修复的化学物质,而是将聚合物层的断裂作为一种化学信号。   研究人员使用化学气相沉积技术,在泡沫镍的每个支撑结构上均匀地涂上一层聚对二甲苯D,即一种具备化学惰性且有弹性的聚合物。由于此种材料的损伤容限比镍稍低,因此当该样品损坏时,该材料会先断裂,露出下面的金属。然后,研究人员可以采用电镀技术,只在需要的地方,在暴露在外的镍上打造新的镍支撑结构。   电镀是一种能量消耗较低的室温技术,最常用于在汽车零件上镀一层铬或在珠宝上镀一层金。例如,将钢制轮胎圈放置在含有铬离子的液体电解质槽中,当施加电压时,钢附近的离子会发生反应,在钢表面形成均匀的金属铬涂层。   Pikul表示:“与聚合物不同,金属在室温下不会流动。而电化学技术的好处在于可轻易让金属离子穿过液体电解质,再利用电化学技术可将离子转化成固体金属。此种聚合物与光刻掩模表现一样,只允许离子在金属泡沫破裂的地方变成金属。”   研究人员进行实验时在厘米级的、拥有聚合物涂层的泡沫镍样品上,“愈合”了三种类型的金属损伤:有裂缝的样品、被拉开、只有几根支撑结构连接的样品、以及被一分为二的样品。而且由于只在暴露在外的镍上采用了电镀技术,因此只花了4小时就修复了损伤,而且修复损伤所花的时间与样品的大小无关。   虽然此种在室温下“愈合”的方法并不是真正的“自愈法”,因为仍然需要外部的电源和原材料,但是Pikul认为该方法与人体骨骼自愈的方式类似。与骨骼自愈一样,金属被修复后的区域会比受损前更强壮,因为愈合部位长出了额外的镍。但是,当重复使用该种技术时,新的镍会降低愈合效率,因为愈合区域不再有聚合物涂层,只是镍继续堆积在那里。   Pikul希望进一步研究,以增加该技术与生物治疗的相似性。此类金属泡沫无需移除损伤部分就可“愈合”,非常适用于车门、机械臂或空间站组件。