工程师让金属泡沫像骨骼一样“自愈” 适用于车门、空间站组件等

　　6000年来，人类一直在利用金属制造东西，因为金属坚固且坚韧，需要特别大的能量才会被破坏。但同时，一旦金属发生破坏，也会需要很大的能量才可以被修复。通常，修复金属的过程包括利用焊接炬熔化金属，温度可达6300华氏度(约合3315.56摄氏度)。　　

　　(图片来源：宾夕法尼亚大学)

　　不过现在，美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的工程师们研发出一种在室温下修复金属的方法，称之为“愈合”法，因为其与骨骼愈合的方式类似，都需要从外部来源获取原材料和能量。该项研究由机械工程与应用里学习助理教授James Pikul与其实验室的研究生Zakaria Hsain合作进行。

　　除了有些金属修复需要将其熔化至更柔韧的形式，由此产生了能源成本之外，有些金属部件甚至无法采用此种修复策略。例如，熔融会破坏金属泡沫复杂的内部结构，而金属泡沫是含有泡沫气孔的特种金属材料。此种金属内部具有间隔，因而在减少材料重量的同时，可以保持整体强度。

　　在探索修复此类多孔金属的方法时，Pikul和Hsain研究了现有的“自我愈合”材料，此种材料大多都由相对柔软的聚合物和塑料制成。Pikul表示：“现在大家采用“自我愈合”法都是在聚合物中注入不同的化学物质，当聚合物破裂时，化学物质就会被释放出来，像环氧树脂一样混合在一起，从而将材料粘合在一起。”此种方法适用于“愈合”聚合物，因为聚合物可以流动，而在室温下相对容易重塑，不过也意味着聚合物的强度有限。　　

　　(图片来源：Pikul研究小组)

　　为了修复金属泡沫，研究人员首先需要找到一种方法，让它们“感觉”到自己被破坏的地方。而金属泡沫通常比聚合物具有更好的结构性能，因此研究人员意识到，不在聚合物中封装其他用于修复的化学物质，而是将聚合物层的断裂作为一种化学信号。

　　研究人员使用化学气相沉积技术，在泡沫镍的每个支撑结构上均匀地涂上一层聚对二甲苯D，即一种具备化学惰性且有弹性的聚合物。由于此种材料的损伤容限比镍稍低，因此当该样品损坏时，该材料会先断裂，露出下面的金属。然后，研究人员可以采用电镀技术，只在需要的地方，在暴露在外的镍上打造新的镍支撑结构。

　　电镀是一种能量消耗较低的室温技术，最常用于在汽车零件上镀一层铬或在珠宝上镀一层金。例如，将钢制轮胎圈放置在含有铬离子的液体电解质槽中，当施加电压时，钢附近的离子会发生反应，在钢表面形成均匀的金属铬涂层。

　　Pikul表示：“与聚合物不同，金属在室温下不会流动。而电化学技术的好处在于可轻易让金属离子穿过液体电解质，再利用电化学技术可将离子转化成固体金属。此种聚合物与光刻掩模表现一样，只允许离子在金属泡沫破裂的地方变成金属。”

　　研究人员进行实验时在厘米级的、拥有聚合物涂层的泡沫镍样品上，“愈合”了三种类型的金属损伤：有裂缝的样品、被拉开、只有几根支撑结构连接的样品、以及被一分为二的样品。而且由于只在暴露在外的镍上采用了电镀技术，因此只花了4小时就修复了损伤，而且修复损伤所花的时间与样品的大小无关。

　　虽然此种在室温下“愈合”的方法并不是真正的“自愈法”，因为仍然需要外部的电源和原材料，但是Pikul认为该方法与人体骨骼自愈的方式类似。与骨骼自愈一样，金属被修复后的区域会比受损前更强壮，因为愈合部位长出了额外的镍。但是，当重复使用该种技术时，新的镍会降低愈合效率，因为愈合区域不再有聚合物涂层，只是镍继续堆积在那里。

　　Pikul希望进一步研究，以增加该技术与生物治疗的相似性。此类金属泡沫无需移除损伤部分就可“愈合”，非常适用于车门、机械臂或空间站组件。

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