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自愈陶瓷最新研究突破：可在一分钟内将裂纹完全愈合！

文章来源：未知更新时间：2018-01-31 09:24:36

由日本国立材料研究所和横浜国立大学组成的研究小组（NIMS-YNU研究小组）近日发现，自愈陶瓷会经历三个与骨愈合过程类似的愈合阶段，即炎症阶段、修复阶段和重塑阶段。利用骨愈合机制，研究小组在晶粒边界处添加了一种愈合活化剂，使得陶瓷能够在飞机发动机高达1,000°C的工作温度下，在短短一分钟内将裂缝完全愈合（文章题目为"A Novel Design Approach for Self-Crack-Healing Structural Ceramics with 3D Networks of Healing Activator" （裂纹自愈合结构陶瓷新设计：添加三维网络的愈合活化剂））。

图中左边和中间展示了陶瓷中的自愈过程，只需一分钟即可完成；右边展示的是三维网络氧化锰（绿色），其可促进陶瓷自我修复（图片来源：NIMS）

自愈陶瓷是由YNU研究小组于1995年发现的。由于具有轻量和耐高温的特点，它们在飞机发动机中主要用作涡轮材料，引起了全球研究者广泛的关注。然而，研究者们对它们的自我修复机制还了解甚少，裂纹只能在1200?1300℃这一有限的温度范围内完全愈合。因此，长期以来，寻找能够在较大温度范围内快速自愈的陶瓷机理及相关理论的发展一直是研究的主要内容。

研究小组发现，自愈过程会经历三个阶段：当陶瓷开裂时，氧气会通过裂缝进入，并与碳化硅（陶瓷的成分之一）反应形成二氧化硅，此阶段称为炎症阶段。随后，氧化铝（陶瓷的基础材料）和二氧化硅反应形成填缝材料，将裂缝密封，该阶段称之为修理阶段。最后，填料结晶以恢复裂纹部分的原始强度，此为重塑阶段。

此外，研究小组受人体内体液循环网络会促进受损骨骼愈合的启发，将一种愈合活化剂——氧化锰，添加到氧化铝晶界中，形成三维网络结构。

结果，与在1,000℃下1,000小时内愈合裂纹的常规陶瓷相比，新开发的陶瓷在1000℃下大约只需1分钟就可完全愈合裂纹。

基于这些研究结果，研究小组计划开发新型的耐热陶瓷。通过选择有效的愈合活化剂，使陶瓷避免发生破裂，从而精确控制陶瓷的自愈能力。

该项目由NIMS结构材料研究中心高级研究员Toshio Osada领导，Toru Hara为小组组长，成员有首席研究员Taichi Abe（RCSM，NIMS），Takahito Ohmura （RCSM副主任，NIMS），首席研究员Masanori Mitome（国际材料纳米建筑研究中心，NIMS）和Wataru Nakao教授（YNU工程学院）。这项研究由JSPS青年科学家拨款（B）（No. JP24760093），JST先进低碳技术研究与发展计划和MEXT纳米技术平台日本计划资助。

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