自愈合金属材料

邓乃铭

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院

本科生

1　概要描述与关键路径要点

1.1　金属疲劳断裂原因及修复方法

金属材料凭借自身良好的力学性能（如强度高、自重轻、塑性好等优点），现如今已在机械工程、工业建筑等领域有了广泛的应用。但当材料受到交变载荷作用时，材料本身会产生疲劳微裂纹，随着应力循环周次的增加，微裂纹会进一步拓展延伸，最终造成材料的脆断。而这种脆断往往发生突然，无塑性形变，因此经常会造成巨大的财产损失和人员伤亡。为了避免此类意外的发生，就需要对材料进行定期地监测和维护。当前对金属材料的裂纹修复主要有物质补给和能量补给两种方法。物质补给法即通过向裂纹中填充物质来实现对裂纹的修复；能量补给法主要分为加热和施加脉冲电流两类。由于疲劳裂纹十分微小，肉眼难以察觉，因此对其进行监测和维护常常需要耗费大量的人力、物力和财力。

图1　金属材料疲劳微裂纹示意图^[1]

1.2　自愈合金属材料工作原理

生物体在受到创伤后通常都有自愈能力，比如伤口结痂等。受此启发，未来可能出现一种可以自我修复疲劳微裂纹的智能仿生金属材料。当材料由于交变应力、温度变化、腐蚀等多种原因而出现微裂纹时，其自身就会“分泌”出一种物质，自动对裂纹进行填充与胶合，防止裂纹进一步拓展延伸，从而增加材料的疲劳强度。这种用来修复裂纹的物质只有当材料产生裂纹的时候才会被释放，并且能够通过毛细作用主动寻找裂纹的位置，随之注入裂纹实现材料的自愈合。随着现代材料科学的不断进步，自愈合混凝土和自愈合复合材料已经开始被研究并取得一定进展，相信在未来的10 ～ 20年里，自愈合金属材料也能够被研发出来，并且广泛应用于机械工程、海洋工程、工业建筑等材料疲劳问题显著的领域。

图2　骨折后自愈机理示意图^[2]

图3　自愈合金属材料工作原理示意图

2　应用意义与前景

自愈合金属材料的研究发展将对未来的机械、建筑等结构形式产生颠覆性的作用。在当前的技术条件下，对机械零件、桁架等结构的设计过程中，往往要重点考虑材料的疲劳问题，如设计时应避免尖角形状等。这在很大程度上限制了对结构功能的设计。该智能材料将突破这一限制，从而设计出更多的结构形式，实现更多功能。由于自愈合材料能够及时修复裂纹，材料突然脆断的问题得以解决，大大提高了材料的可靠性。将这种材料应用于桥梁、房屋的建设，既可以增加建筑的使用寿命，又极有效地保障了人身财产安全。虽然自愈合金属材料在制造成本上要比普通的金属材料高，但由于其自我监测、自我修复的能力，从而省去了后期的监测维护费用。可以说，自愈合金属材料的应用将会同时满足工程结构的经济性和安全性，具有良好的应用前景。

图4　FPSO的结构疲劳问题^[3]十分显著

【注释】

[1]http://r.search.yahoo.com/.

[2]http://ipkc.fimmu.com/yr/nfydfylm/bingli/pp9151.shtml.

[3]http://www.bluewater.com/fleet-operations/what-is-an-fpso/.