众所周知，材料在固相是很难相互发生反应的，但是固相反应相较其他反应方法而言又具有很多优势。固相反应就主要是利用机械力（如压力，剪力和拉力）对材料各组元成分的作用，促使反应发生的。

    Ames实验室科学家、爱荷华州立大学的特聘教授Vitalij Pecharsky说：“由于固相反应中不需要溶剂来溶解反应物，因此可以避免从溶剂等反应的废弃物中引入有害物质；并且固相反应更有利于我们控制反应的方向；除此，由于大部分反应是在室温下进行的，因此有利于降低反应的所需要的激活能，并且反应产物在室温下能够保持亚稳态”。

    固相法独辟蹊径，为常规方法难以加工的材料提供了新途径。例如Pecharsky的球磨法实验。利用机械化学作用，使整个样品得到均匀混合—即使原料中一种成分占99.9%，而另一种只占0.1%。Pecharsky说：“固相法可以使两种物质充分分散，但融化法却很难均匀分散两种物质。”

    因为固相法不需要溶剂，大多情况下无需加热，具有相对较低的能量输入，所以固相法的成本也相对较低。在很多情况下，固相法在工业/商业值得应用的。

    机械化学球磨法

    顾名思义，球磨法是通过将金属球与原料放在封闭的球磨罐中，通过机械振动等作用促使化学反应发生，从而使不同的反应物反应生成复合物。Pecharsky认为由于金属球与球磨罐以及金属球之间的撞击，使原料得到研磨，将机械能转化为化学能从而驱动反应发生的。

    剪力、压力和拉力的共同作用使化合物中分子结构遭到破坏，表面化学键断裂，促进化学反应发生。而在一般情况下，是通过溶解破坏这些化学键的。

    Pecharsky课题组正在研究利用固相法加工金属氢化物，用来充当储氢介质。该课题组最近提出，可以用低温研磨球加工塑料或延展性好的材料。Pecharsky提到：“这些材料在室温下球磨会发生畸变，但化学键不会断裂，但通过液氮浴来降低温度，它们就会和大部分材料一样变得特别脆，易于加工。”

    摩擦整合

    对Ames实验室来说，摩擦整合是一个崭新的领域，它利用高压力和高摩擦力来研磨、破碎反应物，促进新材料的生成。

    艾姆斯氏实验室科学家、ISU材料科学副教授Jun Cui说：“这是很容易理解的。我们将材料放在一个钢磨具中，利用旋转柱塞提供压力。旋转柱塞所产生的摩擦力在材料内部会产生剪应力。随着时间的推移，材料被加热、变软最终均匀流动。虽然表面上看起来是一个混乱无序的过程，但是其内部还是有一定秩序的。”

    这种工艺通常使用金属粉末。因为金属粉末的初始颗粒尺寸细小，所以容易合并。与球磨法类似，摩擦整合能够生成其他方法不能生成的微观结构。Jun Cui说：“例如，你可以将铜和碳纳米管一起反应，最终生成纳米复合材料。这种新材料的机械强度大于普通的铜材料，但导电性能不会降低；或者也可以制造一种耐腐蚀的镁-钛合金。”

    而这种合成的新材料，可以通过挤压或其他各种工业标准方法加工成型。

    Gleeble 热机械系统

    另外一种Ames实验室的新设备：Gleeble系统。这个设备能够在实验室模拟很多商业材料加工工艺。最近，设备被安装在Laboratory's Metals Development 大楼，以便让研究员精确地控制铸、锻、烧和挤压等大量工艺过程，并探究在这个过程中材料内部到底发生了什么变化。

    Ames实验的科学家、爱荷华州立大学材料科学与工程专业的副教授Pete Collins指出：“它能够帮助我们进行精确地测量和监视复杂反应的物理模拟。与计算模拟截然相反，它们两个是相辅相成的。我们的计算模拟结果可以证明或推翻物理模拟的结果，同时物理模拟可以提示我们计算模型中需要考虑的物理变化。”

    Gleeble系统是Collins接受成为爱荷华州立大学教授启动协议中的一部分。由于该设备采用电阻加热法，需要在数秒内将试样温度迅速加热到熔化、铸造和焊接所需要的温度，因此其电力需求相当于两个或两个以上普通家庭所需要的用电功率。这是将这套设备安置在Ames实验室的一个主要原因。

    Collins说：“另一个原因是，从材料加工的观点出发，将Gleeble 热机械系统放在实验室与其他制造工具相邻，将使这套设备更加有意义，例如LENSTM（激光工程化净成形）3D打印设备，Gleeble将会成为具有高流通量能力的一系列设备中重要的组成部分。我们可以利用该系统快速测试通过LENSTM 3D打印的一系列合金试样。除此，我们现在不仅有能力去评价其他粉末固态成形技术，也可以利用它去模拟金属粉末在加压、加温的情况下是如何成型的，从而优化反应条件，得到最好的反应产物。”

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责任编辑：刘洋

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