【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著微型化技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器、驅(qū)動(dòng)器和微機(jī)電系統(tǒng)等設(shè)備中集成的關(guān)鍵零部件越來越小，一維納米材料被認(rèn)為是構(gòu)筑高性能微/納器件的基本單元，然而，小尺寸的一維納米材料在服役過程中受到?jīng)_擊或頻繁機(jī)械加載/卸載很容易發(fā)生斷裂，由于微型化和高集成，維修極其困難。斷面自修復(fù)在提高相關(guān)器件的可靠性和使用壽命方面發(fā)揮著重要作用。在某些極端服役環(huán)境如核反應(yīng)堆中，斷面自修復(fù)甚至可以避免一些災(zāi)難性事故。因此，高效自修復(fù)材料的設(shè)計(jì)、開發(fā)及應(yīng)用十分重要。
作為一種智能材料，自修復(fù)材料能夠降低相關(guān)設(shè)備損壞概率和維護(hù)成本。自20世紀(jì)70年代該材料誕生以來，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制備了眾多自修復(fù)材料，其中大多數(shù)是聚合物、水凝膠及其復(fù)合材料。但這些自修復(fù)材料的制備成本高、修復(fù)時(shí)間長、強(qiáng)度低、耐高溫性差、耐輻射性低，難以獲得廣泛應(yīng)用。而對于陶瓷和金屬材料的修復(fù)通常需要高溫或機(jī)械加載等外部刺激，這些外部刺激在某些特定的服役環(huán)境中難以施加，限制了其實(shí)際應(yīng)用。
MAX相是一類具有Mn+1AXn化學(xué)式的三元化合物(其中n從1到4變化，M是前過渡金屬，A是A族元素，X是碳或氮)，由于M-X共價(jià)鍵和M-A金屬鍵共存以及獨(dú)特的納米層狀結(jié)構(gòu)，MAX相具有優(yōu)異的抗輻照性能、出色的機(jī)械性能以及優(yōu)異的抗氧化和耐腐蝕性能，因而在核能和航天領(lǐng)域以及海洋環(huán)境中具有巨大的應(yīng)用潛力。但由于其較高的c/a比值和較弱的金屬鍵，這類材料的晶體容易沿著特定的晶面斷裂，從而嚴(yán)重降低了相關(guān)設(shè)備的可靠性。
近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所報(bào)告了在室溫下Ti3AlC2 MAX相納米線的固有且高效的自修復(fù)現(xiàn)象。透射電鏡原位定量拉伸實(shí)驗(yàn)表明，Ti3AlC2納米線斷面自修復(fù)5分鐘后，其斷裂強(qiáng)度能夠恢復(fù)至2.1 GPa，自修復(fù)效率可達(dá)36.2%，并且直徑越小，自修復(fù)效率越高，通過原子尺度表征結(jié)合第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了其微觀物理機(jī)制，相關(guān)工作以“Highly Efficient Self-Healing of Fractured Ti3AlC2 MAX Phase Nanowires”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上，論文第一作者為寧波材料所博士后崔俊峰，通訊作者為寧波材料所柯培玲研究員和陳國新高級(jí)工程師和山東理工大學(xué)楊影影老師。
同時(shí)，研究人員根據(jù)對自修復(fù)的理解，率先提出了利用電子束輻照進(jìn)一步增強(qiáng)斷面自修復(fù)效率的策略并得到了驗(yàn)證，同時(shí)通過原子尺度原位輻照技術(shù)揭示了Ti3AlC2 MAX 相輻照效應(yīng)及其對斷面自修復(fù)的影響機(jī)制，相關(guān)工作以“Enhancing the Self-Healing Efficiency of Ti3AlC2 MAX Phase via Irradiation”為題發(fā)表在Nano Letters期刊上，論文第一作者為寧波材料所博士后崔俊峰，通訊作者為寧波材料所柯培玲研究員。
這些發(fā)現(xiàn)以及提出的策略對開發(fā)高安全、長壽命微納器件具有重要價(jià)值，為MAX相在核能領(lǐng)域及其他極端環(huán)境下的應(yīng)用提供了新思路，相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金和寧波市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
圖1 Ti3AlC2納米線斷面自修復(fù)原位定量拉伸實(shí)驗(yàn)及其尺寸效應(yīng)
圖2 Ti3AlC2納米線斷面自修復(fù)分子動(dòng)力學(xué)模擬
圖3 Ti3AlC2 MAX相原子尺度原位輻照實(shí)驗(yàn)
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