眾所周知，材料在固相是很難相互發(fā)生反應(yīng)的，但是固相反應(yīng)相較其他反應(yīng)方法而言又具有很多優(yōu)勢(shì)。固相反應(yīng)就主要是利用機(jī)械力（如壓力，剪力和拉力）對(duì)材料各組元成分的作用，促使反應(yīng)發(fā)生的。

    Ames實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家、愛(ài)荷華州立大學(xué)的特聘教授Vitalij Pecharsky說(shuō)：“由于固相反應(yīng)中不需要溶劑來(lái)溶解反應(yīng)物，因此可以避免從溶劑等反應(yīng)的廢棄物中引入有害物質(zhì)；并且固相反應(yīng)更有利于我們控制反應(yīng)的方向；除此，由于大部分反應(yīng)是在室溫下進(jìn)行的，因此有利于降低反應(yīng)的所需要的激活能，并且反應(yīng)產(chǎn)物在室溫下能夠保持亞穩(wěn)態(tài)”。

    固相法獨(dú)辟蹊徑，為常規(guī)方法難以加工的材料提供了新途徑。例如Pecharsky的球磨法實(shí)驗(yàn)。利用機(jī)械化學(xué)作用，使整個(gè)樣品得到均勻混合—即使原料中一種成分占99.9%，而另一種只占0.1%。Pecharsky說(shuō)：“固相法可以使兩種物質(zhì)充分分散，但融化法卻很難均勻分散兩種物質(zhì)。”

    因?yàn)楣滔喾ú恍枰軇蠖嗲闆r下無(wú)需加熱，具有相對(duì)較低的能量輸入，所以固相法的成本也相對(duì)較低。在很多情況下，固相法在工業(yè)/商業(yè)值得應(yīng)用的。

    機(jī)械化學(xué)球磨法

    顧名思義，球磨法是通過(guò)將金屬球與原料放在封閉的球磨罐中，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)等作用促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，從而使不同的反應(yīng)物反應(yīng)生成復(fù)合物。Pecharsky認(rèn)為由于金屬球與球磨罐以及金屬球之間的撞擊，使原料得到研磨，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能從而驅(qū)動(dòng)反應(yīng)發(fā)生的。

    剪力、壓力和拉力的共同作用使化合物中分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，表面化學(xué)鍵斷裂，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。而在一般情況下，是通過(guò)溶解破壞這些化學(xué)鍵的。

    Pecharsky課題組正在研究利用固相法加工金屬氫化物，用來(lái)充當(dāng)儲(chǔ)氫介質(zhì)。該課題組最近提出，可以用低溫研磨球加工塑料或延展性好的材料。Pecharsky提到：“這些材料在室溫下球磨會(huì)發(fā)生畸變，但化學(xué)鍵不會(huì)斷裂，但通過(guò)液氮浴來(lái)降低溫度，它們就會(huì)和大部分材料一樣變得特別脆，易于加工。”

    摩擦整合

    對(duì)Ames實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，摩擦整合是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，它利用高壓力和高摩擦力來(lái)研磨、破碎反應(yīng)物，促進(jìn)新材料的生成。

    艾姆斯氏實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家、ISU材料科學(xué)副教授Jun Cui說(shuō)：“這是很容易理解的。我們將材料放在一個(gè)鋼磨具中，利用旋轉(zhuǎn)柱塞提供壓力。旋轉(zhuǎn)柱塞所產(chǎn)生的摩擦力在材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移，材料被加熱、變軟最終均勻流動(dòng)。雖然表面上看起來(lái)是一個(gè)混亂無(wú)序的過(guò)程，但是其內(nèi)部還是有一定秩序的。”

    這種工藝通常使用金屬粉末。因?yàn)榻饘俜勰┑某跏碱w粒尺寸細(xì)小，所以容易合并。與球磨法類似，摩擦整合能夠生成其他方法不能生成的微觀結(jié)構(gòu)。Jun Cui說(shuō)：“例如，你可以將銅和碳納米管一起反應(yīng)，最終生成納米復(fù)合材料。這種新材料的機(jī)械強(qiáng)度大于普通的銅材料，但導(dǎo)電性能不會(huì)降低；或者也可以制造一種耐腐蝕的鎂-鈦合金。”

    而這種合成的新材料，可以通過(guò)擠壓或其他各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法加工成型。

    Gleeble 熱機(jī)械系統(tǒng)

    另外一種Ames實(shí)驗(yàn)室的新設(shè)備：Gleeble系統(tǒng)。這個(gè)設(shè)備能夠在實(shí)驗(yàn)室模擬很多商業(yè)材料加工工藝。最近，設(shè)備被安裝在Laboratory's Metals Development 大樓，以便讓研究員精確地控制鑄、鍛、燒和擠壓等大量工藝過(guò)程，并探究在這個(gè)過(guò)程中材料內(nèi)部到底發(fā)生了什么變化。

    Ames實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家、愛(ài)荷華州立大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的副教授Pete Collins指出：“它能夠幫助我們進(jìn)行精確地測(cè)量和監(jiān)視復(fù)雜反應(yīng)的物理模擬。與計(jì)算模擬截然相反，它們兩個(gè)是相輔相成的。我們的計(jì)算模擬結(jié)果可以證明或推翻物理模擬的結(jié)果，同時(shí)物理模擬可以提示我們計(jì)算模型中需要考慮的物理變化。”

    Gleeble系統(tǒng)是Collins接受成為愛(ài)荷華州立大學(xué)教授啟動(dòng)協(xié)議中的一部分。由于該設(shè)備采用電阻加熱法，需要在數(shù)秒內(nèi)將試樣溫度迅速加熱到熔化、鑄造和焊接所需要的溫度，因此其電力需求相當(dāng)于兩個(gè)或兩個(gè)以上普通家庭所需要的用電功率。這是將這套設(shè)備安置在Ames實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)主要原因。

    Collins說(shuō)：“另一個(gè)原因是，從材料加工的觀點(diǎn)出發(fā)，將Gleeble 熱機(jī)械系統(tǒng)放在實(shí)驗(yàn)室與其他制造工具相鄰，將使這套設(shè)備更加有意義，例如LENSTM（激光工程化凈成形）3D打印設(shè)備，Gleeble將會(huì)成為具有高流通量能力的一系列設(shè)備中重要的組成部分。我們可以利用該系統(tǒng)快速測(cè)試通過(guò)LENSTM 3D打印的一系列合金試樣。除此，我們現(xiàn)在不僅有能力去評(píng)價(jià)其他粉末固態(tài)成形技術(shù)，也可以利用它去模擬金屬粉末在加壓、加溫的情況下是如何成型的，從而優(yōu)化反應(yīng)條件，得到最好的反應(yīng)產(chǎn)物。”

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責(zé)任編輯：劉洋

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