麻省理工學院的研究人員發現了一個與直覺相反的現象：被超高速物體撞擊的金屬會隨著溫度的升高而增強強度，這與正常情況下常見的軟化效應正好相反。這個新認識是在使用微小藍寶石顆粒射向金屬的實驗基礎上得出的，可以徹底改變極端環境下的材料設計，如航天器防護罩或高速製造工藝。

麻省理工學院的科學家發現，銅等金屬在加熱和高速撞擊時會變得更堅固，這對傳統觀點提出了挑戰，並有可能增強用於太空和高速製造等極端環境的材料。

金屬受熱後會變得更軟，這就是為什麼鐵匠如何透過將鐵加熱至滾燙將其塑造成複雜形狀的原因。任何人將銅線與鋼衣架進行比較，很快就會發現銅比鋼柔韌得多。

但麻省理工學院的科學家發現，當金屬被超高速運動的物體撞擊時，情況恰恰相反：金屬溫度越高，強度越大。在這些對金屬造成極大壓力的條件下，銅其實和鋼一樣堅固。這項新發現可能為極端環境下的材料設計帶來新的方法，例如保護太空船或高超音速飛機的防護罩，或高速製造製程的設備。

麻省理工學院研究生伊恩-道丁和麻省理工學院材料科學與工程系前系主任、現任西北大學工程學院院長兼麻省理工學院客座教授克里斯托弗-舒赫最近在《自然》雜誌上發表的一篇論文中描述了這項發現。

反直覺的結果與潛在應用

作者寫道，這項新發現”違背直覺，與幾十年來在不太極端條件下進行的研究相悖”。這些意想不到的結果可能會影響各種應用，因為這些撞擊所涉及的極端速度經常發生在隕石撞擊軌道上的航天器，以及用於製造、噴砂和某些增材製造（3D 列印）工藝的高速加工操作中。

研究人員用來發現這種效應的實驗是將直徑僅百萬分之一公尺的藍寶石微粒射向平整的金屬板。在雷射光束的推動下，這些微粒達到了每秒幾百公尺的高速度。雖然其他研究人員偶爾也做過類似的高速實驗，但他們往往使用更大的衝擊器，即厘米或更大的衝擊器。由於這些較大的撞擊主要受到撞擊衝擊的影響，因此無法將機械效應和熱效應區分開來。

說明：麻省理工學院的科學家發現，當金屬被高速運動的物體以極快的速度變形時，較高的溫度會使金屬變得更堅固，而不是更脆弱。圖中，3 個粒子以大致相同的速度撞擊金屬表面。隨著金屬初始溫度的升高，反彈速度更快，顆粒彈得更高，因為金屬也變得更硬而不是更軟。圖片來源：研究人員提供

研究小組使用超高速攝影機追蹤粒子。研究資料中的這個序列顯示了一個粒子飛入並從表面反彈的過程。資料來源：麻省理工學院

新研究中的微小粒子在撞擊目標時不會產生明顯的壓力波。但麻省理工學院經過十年的研究，才發展出以如此高的速度推動這種微小粒子的方法。 “我們利用了這一點，”舒赫說，同時也利用了其他新技術來觀測高速撞擊本身。

觀察和調查結果

他說：”研究小組使用了超高速攝影機來觀察粒子的來去。當粒子從表面反彈時，進入和飛出速度之間的差異”告訴你有多少能量沉積”到目標中，這是表面強度的指標。

研究人員使用的微粒由氧化鋁或藍寶石製成，”非常堅硬”。這些微粒直徑為10 到20 微米（百萬分之一公尺），厚度為頭髮絲的十分之一到五分之一。當這些微粒背後的發射台被雷射光束擊中時，部分材料會汽化，產生一股蒸汽，將微粒推向相反的方向。

研究小組使用超高速攝影機追蹤粒子。研究資料中的這個序列顯示了一個粒子飛入並從表面反彈的過程。資料來源：麻省理工學院

研究人員將微粒射向銅、鈦和金的樣品，希望他們的結果也適用於其他金屬。他們說，他們的數據首次為這種熱量越大強度越高的反常熱效應提供了直接的實驗證據，儘管以前也有報導暗示過這種效應。

根據研究人員的分析，這種令人驚訝的效應似乎是構成金屬結晶結構的有序原子陣列在不同條件下移動的方式所造成的。他們的研究表明，金屬在應力作用下的變形受三種不同效應的支配，其中兩種效應遵循預測的軌跡，即在溫度越高時變形越大，而當變形率超過一定臨界值時，第三種效應（即阻力強化）的作用會逆轉。

阻力增強效果

超過這個交叉點後，較高的溫度會增加材料內部聲子（聲波或熱波）的活動，這些聲子與晶格中的位錯相互作用，限制了它們滑動和變形的能力。道丁說，這種效應隨著撞擊速度和溫度的增加而增強，因此”速度越快，位錯的反應能力就越弱”。當然，在某些時候，升高的溫度會使金屬開始熔化，這時，效果又會逆轉，導致軟化。道丁說，這種強化效應”會有一個極限”，”但我們不知道它是什麼”。

舒赫說，這些發現可能會促使人們在設計可能會遇到這種極端應力的設備時選擇不同的材料。例如，在通常情況下可能弱得多，但成本較低或更容易加工的金屬，可能會在以前沒有人想到要使用它們的情況下派上用場。

研究人員所研究的極端條件並不限於太空船或極端製造方法。道丁說：”如果你在沙塵暴中駕駛直升機，很多沙粒在撞擊葉片時會達到很高的速度。”

研究人員用來揭示這一現象的技術可以應用於其他各種材料和情況，包括其他金屬和合金。他們說，簡單地根據已知材料在不太極端條件下的特性來設計在極端條件下使用的材料，可能會導致人們對材料在極端應力下的行為產生嚴重的錯誤預期。

編譯來源：ScitechDaily