修补无法修复的东西：修复断裂金属的新方法

据估计，采矿、精炼和加工建筑中常用的金属(称为结构金属)贡献了约 30 亿吨一氧化碳2-当量排放量。而且，尽管回收这些材料有可能减轻其对环境的负面影响，但许多材料遭受的损害，如骨折，可能会阻止它们延长其生命周期。

高温技术，如钎焊和焊接，已经用于金属修复数千年。然而，这些也受到限制，因为某些合金(由两种或多种元素组成的金属物质)在极端高温下容易开裂。一些新的复杂3D打印结构过于复杂或精致，无法使用这些工具访问。

在《先进材料》杂志上发表的一篇论文中，由工程与应用科学学院的詹姆斯·皮库尔(James Pikul)领导的一组研究人员提出了一种恢复金属强度和韧性的新技术。研究人员利用这种“电化学愈合”在室温条件下修复各种金属材料中的断裂金属，包括钢，铝合金和复杂的3D打印结构。

“难以修复的金属通常最终会成为废物，造成经济和环境问题，”机械工程和应用力学助理教授皮库尔说。“我们的电化学修复技术通过完全恢复金属的抗拉强度(包括航空航天中使用的'不可焊接'铝合金)提供了解决方案。这为以具有成本效益和可持续的方式修复金属开辟了全新的可能性。

该论文的主要作者是Zakaria H'sain，他是Pikul研究小组的博士后研究员，在宾夕法尼亚大学获得了博士学位。 H'sain解释说，钎焊类似于牙医填充牙齿，因为通过插入填充材料并将其漏斗到弱化部位来密封腔体;焊接可以通过用高温激光或火花将它们熔化在一起，将它们融为一体。他说，他们的新金属修复技术使用不同的方法来修复金属。

“我们称我们的方法为电化学治疗，因为它更接近于我们的身体修复骨折的方式，”H'sain说。“愈合物质被输送到断裂部位，并通过来自相对断裂表面的物质的生长和连接来恢复强度。”

为了让金属“愈合”，研究人员将其置于一种称为电解质的水基溶液中;他们的是含有镍离子的盐水混合物。然后，研究小组施加负电压，将电解质中的离子移向金属裂缝，导致电子增加，直到电解质中的金属离子开始窃取多余的电子，这种化学反应称为还原。这将离子变成固体金属原子，当原子在表面上生长时，它们会愈合裂缝。

“我们在金属上涂上了保护性聚合物涂层作为屏障，因此当它暴露于电解质镀镍或愈合时，它仅限于断裂部位，不会干扰金属结构的任何其他部分，”H'sain说。

在他们之前调查电化学愈合修复金属的可能性的研究的基础上，该团队开发了一个模型，根据断裂的几何形状、整体结构的原始强度、镍涂层的强度和其他工艺参数来衡量修复在恢复机械强度方面的功效。

他们将他们的模型应用于三种不同的合金：一种在建筑和机械中流行的相对便宜的低碳钢，以及通常用于飞机机翼和机身的两种“不可焊接”铝合金。

在后来的实验中，该团队与Stuart Weitzman设计学院建筑学助理教授Masoud Akbarzadeh和Akbarzadeh多面体结构实验室的研究生Mostafa Akbari合作，看看电化学治疗是否可用于修复3D打印的高效结构。

“我们已经证明，如果我们遵循我们的模型，我们可以恢复所有这些合金的100%强度，”H'sain说。“虽然以前的电化学技术依赖于为每种材料量身定制的复杂化学解决方案，但我们提出了一种可以应用于多种材料的通用方法。

“我们对电化学愈合的潜力感到特别兴奋，它彻底改变了具有复杂形态的3D打印金属结构的修复，”Akbarzadeh说。“通过完全恢复我们难以焊接的壳状结构的抗拉强度，我们正在为这些日益流行的建筑材料的更高效和可持续的修复过程铺平道路。

在未来的研究中，该团队计划通过设计和制造组件来扩展他们在3D打印结构方面的工作，这些组件考虑了事先需要的维修，以确保更容易有效地恢复强度。此外，他们还对研究自动修复方法和降低替代电沉积金属的成本感兴趣。