Nature重磅:首次突破金属疲劳领域常规理论与技术瓶颈!这个设计太逆天了!
2025-04-02 15:11:25
作者:金属材料科学与技术 来源:金属材料科学与技术
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金属材料在使用过程中容易出现裂纹,这是因为金属受到外部力量或长期疲劳损伤导致的局部损伤。虽然金属材料通常具有一定的延展性和韧性,但过大的外部力量或长期使用会导致裂纹的出现。疲劳裂纹是由于金属材料在循环载荷下的微观组织和晶界疲劳损伤导致的,其产生和扩展需要经历一个漫长的过程。一旦疲劳裂纹扩展到一定程度,就会导致材料失效,因此局部应力和晶界迁移是裂纹迁移中重要因素。金属材料的力学性能、微观组织和外界环境等因素都会影响裂纹的产生和扩展。为确保金属材料的使用寿命和安全性,需要及时检测和修复裂纹和疲劳。美国桑迪亚国家实验室和美国德克萨斯A&M大学材料科学与工程系的Michael J. Demkowicz和Brad L. Boyce团队发现,纯金属在产生疲劳裂纹后,可以通过自我修复进行愈合。他们观察到纳米级疲劳裂纹的早期进展,发现裂纹可通过侧面冷焊愈合,前提是结构材料疲劳寿命的最基本理论得到正确设计和评估。这项重要的工作已在Nature上发表,标题为“Autonomous healing of fatigue cracks via cold welding”,进一步揭示了疲劳在各种服务环境中的影响。随着航空航天、新能源等领域对复合材料性能需求的升级,传统“试错法”研发模式面临瓶颈:微观结构设计依赖经验、多尺度耦合机理不透明、全参数空间探索计算成本高昂。与此同时,人工智能与高性能计算的融合为材料科学提供了新范式——通过构建“物理仿真+数据驱动”的混合模型,实现材料性能的精准预测与设计优化。
国际趋势方面,Nature等顶尖学术期刊持续聚焦“多尺度建模”、“AI+复合材料”等交叉研究前沿,ABAQUS 与 AI 技术融合驱动的复合材料建模与仿真创新研究正成为全球热点。由知名学者领衔的科研团队不断在多尺度机理剖析、智能化复合材料结构开发等方面取得突破性成果,推动着复合材料技术向更高比强度、更优耐久性、更强多功能性等目标加速迈进。
国家需求层面,我国《国家自然科学基金“十四五”发展规划》中优先发展领域明确提出“面向航空航天、先进制造、新能源等领域对优异力学性能、特殊功能的新材料和新结构的迫切需求,重点研究新材料的本构理论、破坏理论、多尺度力学行为、新实验与计算方法,新结构的力学设计与分析、安全寿命评估、多功能驱动的设计方法、智能技术相结合的分析方法等。”
学科发展维度,智能复合材料技术作为新兴交叉学科领域正蓬勃兴起,众多头部企业对既精通复合材料核心技术,又熟练掌握多尺度仿真技巧与 AI 应用开发的复合型人才求贤若渴,相关岗位招聘需求持续井喷。
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