自我修复金属的概念在很大程度上一直仅存在于科幻小说中。此前理论认为，金属裂缝只会变大，而不会变小。2013年，科学家发表了一项基于计算机模拟结果的新理论，即在一定条件下，金属能够愈合因磨损而形成的裂缝。在桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的集成纳米技术中心，这一理论得到了证明。

图片来源：桑迪亚国家实验室

金属纳米级自我修复的艺术渲染图。绿色标记了裂缝形成的地方，然后又融合在一起。红色箭头表示意外触发该现象的拉力方向。

实验揭示金属可自我修复

科学家们首次目睹了金属碎片在没有任何人为干预的情况下破裂，然后又重新融合在一起。如果新发现的现象能够被利用，它可能会带来一场工程革命。在这场革命中，自我修复的发动机、桥梁和飞机可消除磨损造成的损害，使其变得更安全、更持久。美国桑迪亚国家实验室和得克萨斯农工大学的研究团队19日在《自然》杂志上描述了此项发现。

此次，研究团队看到消失的裂缝是纳米级的裂缝，虽小却举足轻重。桑迪亚国家实验室材料科学家布拉德·博 伊斯表示，从电子设备中的焊点到车辆的发动机，再到开车经过的桥梁，这些结构经常由于循环载荷而出现不可预测的故障，从而导致裂缝萌生并最终断裂。

桑迪亚材料科学家布拉德·博 伊斯表示：我们已经证实，金属具有其固有的、自然的自我修复能力，至少在纳米级疲劳损伤的情况下是这样。疲劳损坏是机器磨损并最终损坏的一种方式。重复的应力或运动会导致微观裂纹的形成。随着时间的推移，这些裂缝会不断扩大并蔓延，直到断裂！

研究人员说：“从电子设备中的焊点到汽车发动机，再到我们行驶过的桥梁，这些结构经常会因循环载荷而出现不可预测的故障，从而导致裂纹萌生并最终断裂。当它们确实出现故障时，我们必须应对更换成本、时间损失，在某些情况下甚至是人员伤亡。”

尽管科学家们已经创造了一些自修复材料，主要是塑料，但自修复金属的概念在很大程度上一直是科幻小说的领域。

2013年，迈克尔·德姆科维奇开始对传统材料理论进行研究，他目前是德克萨斯农工大学正教授。他根据计算机模拟的结果发表了一项新理论，即在某些条件下，金属应该能够焊接封闭因磨损而形成的裂纹。

他的理论是正确的，这个发现是在集成纳米技术中心无意中发现的， 该中心是由桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的能源部用户设施。发现这一现象时，研究人员正在桑迪亚进行这项实验。他们只是想使用一种专门的电子显微镜技术来评估裂纹是如何在纳米级铂片上形成和扩散的，

研究团队此次开发了一种每秒可重复拉动金属末端200次的技术，并使用专门的电子显微镜来评估裂缝是如何在一块纳米级的铂片上形成和扩展的。实验进行了大约40分钟后，损伤发生逆转。裂缝的一端重新融合在一起，没有留下曾经受损的痕迹。随着时间的推移，裂缝又沿着不同的方向重新扩展。

研究人员表示，这些发现的普遍适用程度可能会成为广泛研究的主题。我们展示了真空中纳米晶金属中发生的这种情况。但我们不知道空气中的传统金属是否也能诱导这种现象。

团队表示，这一发现是材料科学前沿的一次飞跃。

这几乎相当于材料界的“破镜亦重圆”！此次科学家虽然目睹了真空中纳米晶体金属发生了自我修复的情况，却还有很多未知之处。关于金属自我修复过程，人们知其然但不知其所以然，也不清楚是否能在现实世界空气中的传统金属中，诱导出同样的现象。这其中的神秘和不确定性，正是科学研究进一步展开的推动力。

金属自修复技术的应用前景

金属自修复技术目前是世界上一项尖端技术，现已获国家发明专利，它的出现在摩擦领域改变了人们传统思维方式：“以往人们认为在运动时金属摩擦表面都会出现：摩擦、生热、疲劳、磨损。”由于一项新的技术诞生而改变了人们的看法。这就是金属自修复技术。其结果是：摩擦、生热、力化学作用产生金属自修复的效果。

磨损、腐蚀、疲劳是机械材料失效的主要三种形式。磨损造成的经济损失十分巨大，在美国因摩擦磨损造成的经济损失每年超过2000亿美元。我国每年因摩擦磨损造成的损失据测算达上千亿元人民币。因此，节能降耗一直是我国乃至世界工业发展中努力追求的目标。

而“ 金属磨损 自修复材料”作为一种全新的机械装备和机械零件减磨材料，是一种由羟基 硅酸镁等多种矿物成分、添加剂和催化剂等构成的超细粉体组合材料。它的常用组成成分的粒度为0.1~10rm，可以添加到各种类型的润滑油或 润滑脂中使用。润滑油或润滑脂作为载体，将修复材料的微细粉粒送入摩擦物的工作表面上。它不与油品发生化学反应，不改变油的粘度和性质、无毒副作用。其特点是：在机械装备不解体的情况下，可在机械装备运行过程中完成铁基金属磨损部位的自行修复，生成减磨性能优异的金属陶瓷保护层，使摩擦表面硬度和 光洁度提高，摩擦系数大幅度降低，并使已经磨损的部位恢复到原来的尺寸，大幅度延长设备的使用寿命，节约能耗。应用这项新技术不仅能预防机件磨损，还能自行修复处于长期运行中已磨损的机件磨擦表面，具有广阔的应用前景。

以轴承为例，我国生产的轴承精度已能达到国际同类产品水平，但受钢材和 热处理工艺等的影响，轴承的使用寿命和疲劳度与国际标准还有部分差距。经国家轴承质量监督检验中心试验检测，使用“金属磨损自修复材料”的6205-2RS1×1轴承达到额定寿命13倍，仍能保持旋转精度和试前游隙，套圈滚道和 滚动体基本没有磨损。这一试验表明：使用“金属磨损自修复材料”能使轴承寿命提高，保持产品精度不变和恢复产品精度。由此可减少机械装备因轴承失效导致的事故和重大损失，减少设备停机维修时间，提高设备利用率。从而大幅度减少轴承进口，节约外汇，并为我国成为轴承出口大国，创造了条件。目前，这项技术已开始在部分轴承企业中试用推广，并已应用于一些 汽车轴承、机床主轴轴承上。

我国家电中的电冰箱、洗衣机、空调、电风扇等转动机件的寿命也取决于轴承的耐磨性。使用“金属磨损自修复材料”将有利于提高家电的竞争力，更好地进入国际市场。

在交通运输方面，以燃油为能源的汽车、火车、船舶，其内燃机在使用中发生的内部磨损和 燃油消耗率逐步增大，用“金属磨损自修复材料”可减少机件磨损，提高发动机使用寿命，降低燃油消耗，提高运营率，每年可获数十亿元的综合效益。

此外，我国纺织机械、石油化工机械、矿山机械、冶金机械等领域内都存在着机械装置耐磨寿命短的“瓶颈”，制约着机构的正常使用和系统可靠性的提高。“金属磨损自修复材料”的应用可以打破“瓶颈”，提高系统运行的可靠性及工作效率，节能降耗，综合效益明显。

总之，“金属磨损自修复材料”技术的广泛应用，将会提高我国工业产品的竞争能力，带动相关产业的发展，对国民经济的发展起着重大影响。同时，也使我国的减磨学术研究和减磨产品开发研制工作攀上新的高峰，对实现节约能源和环境保护这两项人类可持续发展的战略目标具有重要意义。

文章来源： 科技日报，科学头条，百科