【創新科技】有彈性的陶瓷材料?

■加州理工學院材料系的Julia R. Greer教授讓氧化鋁可以像彈簧一樣復原,顛覆大家對材料的想像。

撰文|方程毅

在解釋為什麼會有彈性前,先來告訴各位哪些算是陶瓷材料。

陶瓷材料比較普遍的定義就是無機且不具金屬性的金屬氧化物和金屬非氧化物,例如:氧化鋁(Al2O3)、碳化矽(SiC)、熱電材料鈦酸鋇(BaTiO3)甚至是高溫超導釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7)等等。這些材料普遍都具有很脆、強度很高及彈性很差等特性。其運用範圍非常廣,從家裡吃飯的碗、機械工業中的耐磨材料到航太科技都可以見到陶瓷材料的蹤跡。

有彈性的陶瓷材料是個什麼樣的概念?

想像你吃飯的碗公很有彈性?聽起來好像不太吸引人。但如果陶瓷材料具有彈性,在工業界上的用途就大得多了,因為耐磨的東西通常很脆,禁不起彎曲或壓縮;有彈性的東西通常不耐磨、強度不夠大。所以兼具兩種特性就同時能作為抗磨跟吸震之用。

本文介紹的彈性陶瓷是由加州理工學院材料系的Julia R. Greer教授的實驗室所研發,我們在以前曾介紹過這位教授的研究(請見:<它是奈米材料!不是鋼筋水泥!>)這次他們使用的材料是氧化鋁,也是採用類似的架構,將其做成奈米支架,氧化鋁是藍寶石的組成成分,所以非常硬,且耐磨,但做成奈米支架之後竟然能跟彈簧一樣被壓縮(請見影片),非常不可思議,因此也被登上了《科學》(Science)期刊。

為什麼氧化鋁可以有這種行為呢?如果根據直覺,把材料做成細細的支架,應該一壓就碎了。但一壓就碎是大尺度下的行為,到奈米尺度就不是這麼一回事了。

這要從材料破裂或形變的機制開始解釋。材料是由原子堆積構成的,假設材料內部是完美無缺的,那所有材料的強度都要比你現在看到的大上至少幾百倍甚至幾千倍。但世界總是不完美的,材料內部一定會存在各種缺陷,可能是某些位置缺了幾個原子,又甚至少一排或一整面原子;也有可能是某些原子站錯位置,這些缺陷提供了路徑讓原子「移動」,原子的移動就代表形變,因此缺陷的存在會導致材料的強度大幅下降,如果能抑制這些缺陷的移動就能讓材料比較不容易產生永久形變。簍空的奈米支架因為材料本身都是細細一支一支(最細處只有10奈米),所以如果有缺陷,能移動的範圍就很小,就像在很小的水管裡移動,限制了材料形變或破碎的能力,材料的強度(或硬度)就大大增強了。這種現象只會在奈米尺度下出現,因為奈米尺度才能真正讓原子及缺陷的移動能力變差。

但單單只是強度變大沒什麼了不起,能像彈簧一樣才是這項研究厲害的地方。這就是奈米支架的另一個好處,材料彈性會隨著材料在空間佔有的密度下降而變高,雖然這些支架佔有的「範圍」很大,但實際材料佔有的體積卻很小,所以才會像彈簧一樣可以復原 (這種像彈簧一樣且可復原的形變,原子本身沒有移動,只是間距改變,所以跟上一段所提的形變機制並不同)。實驗結果顯示,這些支架在被壓縮到只剩原本體積的50%後還可以恢復成原有體積的90%;一般來說陶瓷材料只要有1%的形變量就會破裂,從1%到50%,真的非常神奇。

奈米支架的另一個好處就是「輕」,因為大部分都是簍空的,所以沒什麼重量。氧化鋁塊材的密度為2900 kg/m3,做成奈米支架密度最低可以低到6.1 kg/m3,可以說又輕又強又彈,只是很貴.......,因為製程技術非常精密,所以運用到不計成本的航太科技或許是可以期待的,但廣泛運用到日常生活,可能要再等一陣子吧。

影片連結:http://www.sciencemag.org/content/suppl/2014/09/11/345.6202.1322.DC1/1255908s1.mp4

原始論文及影片出處:Meza, Lucas R., Satyajit Das, and Julia R. Greer. "Strong, lightweight, and recoverable three-dimensional ceramic nanolattices." Science 345, no. 6202 (2014): 1322-1326.

參考資料:Springy ceramics bounce back when squeezed.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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