由日本國立材料研究所和橫浜國立大學組成的研究小組（NIMS-YNU研究小組）近日發現，自愈陶瓷會經歷三個與骨愈合過程類似的愈合階段，即炎癥階段、修復階段和重塑階段。利用骨愈合機制，研究小組在晶粒邊界處添加了一種愈合活化劑，使得陶瓷能夠在飛機發動機高達1,000°C的工作溫度下，在短短一分鐘內將裂縫完全愈合（文章題目為“A Novel Design Approach for Self-Crack-Healing Structural Ceramics with 3D Networks of Healing Activator” （裂紋自愈合結構陶瓷新設計：添加三維網絡的愈合活化劑））。

    圖中 左邊和中間展示了陶瓷中的自愈過程，只需一分鐘即可完成；右邊展示的是三維網絡氧化錳（綠色），其可促進陶瓷自我修復（圖片來源：NIMS）自愈陶瓷是由YNU研究小組于1995年發現的。由于具有輕量和耐高溫的特點，它們在飛機發動機中主要用作渦輪材料，引起了全球研究者廣泛的關注。然而，研究者們對它們的自我修復機制還了解甚少，裂紋只能在1200?1300℃這一有限的溫度范圍內完全愈合。因此，長期以來，尋找能夠在較大溫度范圍內快速自愈的陶瓷機理及相關理論的發展一直是研究的主要內容。

    研究小組發現，自愈過程會經歷三個階段：當陶瓷開裂時，氧氣會通過裂縫進入，并與碳化硅（陶瓷的成分之一）反應形成二氧化硅，此階段稱為炎癥階段。隨后，氧化鋁（陶瓷的基礎材料）和二氧化硅反應形成填縫材料，將裂縫密封，該階段稱之為修理階段。最后，填料結晶以恢復裂紋部分的原始強度，此為重塑階段。

    此外，研究小組受人體內體液循環網絡會促進受損骨骼愈合的啟發，將一種愈合活化劑——氧化錳，添加到氧化鋁晶界中，形成三維網絡結構。

    結果，與在1,000℃下1,000小時內愈合裂紋的常規陶瓷相比，新開發的陶瓷在1000℃下大約只需1分鐘就可完全愈合裂紋。

    基于這些研究結果，研究小組計劃開發新型的耐熱陶瓷。通過選擇有效的愈合活化劑，使陶瓷避免發生破裂，從而精確控制陶瓷的自愈能力。

    該項目由NIMS結構材料研究中心高級研究員Toshio Osada領導，Toru Hara為小組組長，成員有首席研究員Taichi Abe（RCSM，NIMS），Takahito Ohmura （RCSM副主任，NIMS），首席研究員Masanori Mitome（國際材料納米建筑研究中心，NIMS）和Wataru Nakao教授（YNU工程學院）。這項研究由JSPS青年科學家撥款（B）（No. JP24760093），JST先進低碳技術研究與發展計劃和MEXT納米技術平臺日本計劃資助。

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責任編輯：殷鵬飛

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