化弱为强——科学家利用缺陷来强化材料

材料牛注：提起缺陷，很多材料行业的人都深恶痛绝，很多材料就是因为缺陷的存在，导致实际强度远弱于理论强度。但是，最近莱斯大学的科研人员们发现，缺陷并不是人们直觉以为那样，都是对材料有害的，他们发现利用缺陷这种材料的弱点反而可以加强材料！

螺型位错打乱了雪硅钙石（天然形成、类似于水泥的成分水化硅酸钙的结晶质）中的原子排布。莱斯大学的科学家们通过雪硅钙石的模拟来研究位错如何缓解材料所受压力。

混凝土并不是塑料，但小尺度的塑性可以提高混凝土的性能，尤其是当这种全世界最常用的材料在硬化后需要持续受压，时间长达数十年甚至百年。现在莱斯大学的科学家已经很接近事实的真相了。莱斯大学的材料学家Shahsavari对雪硅钙石（天然形成类似于水化硅酸钙的结晶质）进行原子尺度的计算分析。他们希望通过研究雪硅钙石的内部结构来提高混凝土的强度、硬度以及压力下的变形能力。

雪硅钙石是古罗马人所用混凝土的关键成分，它会形成层状结构像折叠纸堆将颗粒固化在一起。这些颗粒中所含有螺位错和剪切缺陷会通过层之间的滑动来降低材料所受压力。它们会让层交替滑动很小的距离，这样就不会让交错的缺陷将层状结构固定住。

研究者们构建了第一个包含平行或垂直于层结构位错的雪硅钙石“超晶胞”模型，并将其应用到分析剪切力上。他们发现无缺陷的雪硅钙石由于层结构间的水分子有助于层结构的移动从而更容易发生变形。然而对于存在螺型缺陷的颗粒，层结构只能滑移至它们被齿状位错固定住之前位置。它们可以交替着向下一层滑移，这样就可以在不产生裂纹的同时释放压力。这种颗粒核心周围的“步进式缺陷引导滑移”机制可以让材料延展性更佳且可以自己调整适应压力。

“通过这项研究我们发现，不像通常直觉以为的那样，缺陷就是对材料有害。对于像雪硅钙石这样的复杂的层状晶体结构，它就不是这样。” Shahsavari这样给我们说道。“并且，缺陷可以使位错沿着确定方向慢慢滑动，这样就可以提高材料的屈服压力以及硬度。”

“同时要求高强度与高硬度，尤其后者对于设计混凝土材料至关重要，并且这两个工程指标是好几个应用领域急缺的。我们的研究带给大家的第一个报告就是如何利用貌似弱点的缺陷来达到渴求已久的性能——高强度与高硬度。”

Shahsavari说希望他的研究可以为提高混凝土等材料的强度、硬度提供设计准则。

原文地址：Scientist Probes Ways to Turn Cement's Weakness to Strength

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，李禹辰编译，点我加入材料人编辑部。

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