中国团队开发世界首个“可弯曲”陶瓷材料!制成人工关节能用一生

中国团队开发世界首个“可弯曲”陶瓷材料!制成人工关节能用一生
2022年11月25日 16:41 金投网

中国科学家已经开发出世界上第一种可以像金属一样弯曲的陶瓷材料,这项技术可以提高发动机的性能,并制造出更好的人工关节。

可塑性和强度以前被认为是陶瓷的对立性质,一方面的提高通常意味着另一方面的下降。但据领导这项研究的材料科学家陈可新说,这种具有陶瓷硬度和金属柔韧性的新材料是科学家同时改进两种性能的第一个例子。

国家自然科学基金会工程与材料科学系的陈教授说:“这种陶瓷可以给许多行业带来技术革命。”

陈教授和他在清华大学的同事们在同行评议的《科学》杂志上发表了他们的研究结果。芬兰坦佩雷大学的研究人员在《科学》杂志上同期的一篇观点文章中写道,这一发现“可能会带来比当今最好的金属合金更轻、更坚固的材料”。

陈教授说:“自从我30年前开始职业生涯以来,世界各地都在研究陶瓷的可塑性。可以说,今天我们终于在这一课题上取得了突破。”

研究人员使用氮化硅制造了含有两种晶体结构的纳米颗粒。当受到外力时,一种晶体结构会变成另一种,使材料弯曲,然后恢复其原始形状。

这种材料在制造航空航天发动机方面特别有用。陶瓷材料坚固轻便,耐高温。柔性陶瓷发动机可以在比传统合金发动机高得多的温度下运行,并且具有更好的燃油效率。

陶瓷发动机比合金发动机轻得多,加速速度也快得多。减轻发动机重量可以减轻对其他部件的压力。

这种材料也可以用于汽车发动机。因为陶瓷材料比合金有更高的耐热性,所以陶瓷发动机可以有一个更小的冷却液罐。与此同时,陶瓷发动机较高的燃烧温度可以产生更好的推力和更少的污染物。

氮化硅陶瓷轻质、具有生物相容性和抗菌性,是关节置换的潜在替代材料。大多数人工关节由金属制成,需要每10年更换一次,这对患者来说既昂贵又痛苦。陈说:“用陶瓷制成的人工关节在植入后可以使用一生。”

他说,这种材料还可以用于制造风力涡轮机的轴承,这是连接发电机和风扇叶片的关键部件。每个轴承在运行过程中必须承受数吨的压力,其耐久性决定了整个系统的使用寿命。

“我们的柔性氮化硅陶瓷可以用于制造寿命更长的轴承,从而降低风力发电的平均成本。”陈说。“基于我们的实验,大规模生产这种柔性陶瓷材料是可能的,在高端设备领域有明显的价格优势。”

例如,生产用于喷气发动机的单晶涡轮叶片需要昂贵的稀土材料,而最昂贵的氮化硅售价约为每公斤200美元。“我们将在现有工作的基础上不断改进这种陶瓷材料。一旦你打开一扇门,后面是一个广阔的世界。”

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