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寧波材料所在MAX相斷面自修復(fù)研究方面取得進展
隨著微型化技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器、驅(qū)動器和微機電系統(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、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)備損壞概率和維護成本。自20世紀70年代該材料誕生以來，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計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)時間長、強度低、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共價鍵和M-A金屬鍵共存以及獨特的納米層狀結(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驗表明，Ti3AlC2納米線斷面自修復(fù)5分鐘后，其斷裂強度能夠恢復(fù)至2.1 GPa，自修復(fù)效率可達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)合第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬揭示了其微觀物理機制，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工程師和山東理工大學(xué)楊影影老師。
同時，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一步增強斷面自修復(fù)效率的策略并得到了驗證，同時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)基金面上項目、浙江省自然科學(xué)基金和寧波市自然科學(xué)基金等項目的支持。
圖1 Ti3AlC2納米線斷面自修復(fù)原位定量拉伸實驗及其尺寸效應(yīng)
圖2 Ti3AlC2納米線斷面自修復(fù)分子動力學(xué)模擬
圖3 Ti3AlC2 MAX相原子尺度原位輻照實驗
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