麻省理工学院工程师发现柔软的头发甚至是最锋利的剃须刀

麻省理工学院的工程师已经研究了剃须的简单行为，观察剃刀刀片如何损坏，因为它削减人的头发 - 比刀片本身更柔软的材料。

一项新的研究表明，人类的头发比钢更柔软的50倍，但它可以削减剃刀的边缘。

剃须刀，手术刀和刀具通常由不锈钢制成，磨练到剃刀锋利的边缘，涂有甚至更硬的材料，如金刚石碳。然而，刀具需要定期锐化，而剃须刀在切割材料之后经常更换比刀片自身更柔软。

现在，MIT的工程师已经研究了剃须的简单行为，观察剃须刀片在削减人的头发时如何损坏 - 一种比刀片本身更柔软的材料。他们发现毛发剃须以更复杂的方式变形刀片，而不是随着时间的推移越过边缘。实际上，单链的头发可以在特定条件下使叶片的边缘变为芯片。一旦初始裂缝形式，刀片容易进一步切削。随着较多的裂缝在初始芯片周围积聚，剃刀的边缘可以迅速沉闷。

团队发现，刀片的显微镜结构扮演着关键作用。如果钢的微观结构不均匀，叶片更容易弯曲。将刀片接近的毛发束和钢的微观结构存在缺陷的存在也在启动裂缝中起作用。

团队的调查结果也可以提供关于如何保持刀片的清晰度的线索。例如，在切片蔬菜中，厨师可能会考虑直接切割，而不是一定角度。并且在设计更持久的更持久，更巧克力的刀片，制造商可能会考虑从更均匀的材料制造刀具。

“我们的主要目标是了解一个或多或少的每个人都知道的问题：为什么刀片在与更柔软的材料相互作用时会变得无用，”托马斯B.国王梅利科·梅利科·托尔·泰森（Thomas B. King副教授）。“我们发现了失败的主要成分，使我们能够确定制作可能持续更长时间的刀片的新处理路径。”

Tasan及其同事们今天在学报上发表了他们的结果。他的共同作者是Gianluca Roscioni，Lead作者和麻省理工学院研究生，以及Seyedeh Mohadeseh Taheri Mousavi，MIT Postdoc。

扫描电子显微镜中原位毛切割实验，显示出切削过程。

塔珊的MIT材料科学和工程系探讨了金属的微观结构，以设计具有出色的抗损伤性的新材料。

“我们是冶金主义者，想要了解金属变形的东西，以便我们可以做出更好的金属，”塔兰说。“在这种情况下，它是有趣的，如果你剪掉一些非常柔软的东西，就像人的头发一样，用非常坚硬的东西，钢铁，硬质材料会失败。”

为了确定剃刀叶片在剃须人的头发时失效的机制，Roscioli首先进行了一些初步实验，使用一次性剃须刀刮他自己的面部头发。每次刮胡子后，他用扫描电子显微镜（SEM）拍摄了剃刀边缘的图像，以跟踪刀片如何随着时间的推移而堵塞。

令人惊讶的是，实验揭示了很少的磨损，或随着时间的推移从尖锐的边缘舍入。相反，他注意到沿着剃刀边缘的某些地区形成的芯片。

“这创造了另一个神秘之谜：我们看到切碎，但没有看到任何地方，只在某些地方都有碎片，“塔兰说。“我们想了解这一切碎的情况下，失败的成分是什么？”

一个碎片的碎片

为了回答这个问题，Roscioli建立了一个小型微机械设备，以进行更加控制的剃须实验。该装置由可移动级组成，在任一侧上有两个夹具，一个夹紧剃刀刀片，另一个夹具以锚定束。他使用了商业剃须刀的刀片，他以各种角度设定，切割深度，以模仿剃须的行为。

该装置设计成适合扫描电子显微镜，其中Roscioli能够在进行多种切割实验时采用头发和刀片的高分辨率图像。他用自己的头发，以及从他的几个标签中取样的头发，总体上代表着广泛的头发直径。

原位单毛切割实验进行，以测量剃须期间刀刃上产生的负载。

无论头发的厚度如何，Roscioli都观察到毛发损坏刀片的相同机制。就像他初始剃须实验一样，Roscioli发现头发导致刀片的边缘到芯片，但只在某些斑点中。

当他分析在切割实验期间采取的SEM图像和电影时，他发现当垂直于刀片的头发切割时，不会发生碎片。然而，当头发自由弯曲时，更容易发生碎片。这些芯片最常形成在刀刃边缘达到头发股的侧面的地方。

看看有什么条件可能导致这些芯片形成，该团队进行了计算模拟，其中它们模拟了钢刀片切割通过单个头发。当他们模拟每种毛发刮胡子时，它们改变了某些条件，例如切割角，施加在切割中的力的方向，最重要的是，刀片钢的组成。

他们发现，在三个条件下预测失败的模拟：当刀片以一定角度接近头发时，当刀片的钢在组成中，并且当毛线的边缘在其异构结构的弱点处达到叶片时。

Tasan表示，这些条件说明了一种称为应力强化的机制，其中如果材料的结构具有微裂纹，则加强施加到材料的应力的效果。一旦初始微裂纹形式，材料的异构结构使这些裂缝能够容易地生长到碎片。

“我们的模拟解释了材料中的异质性如何增加该材料上的压力，使得裂缝可以生长，即使压力由柔软的材料施加如头发，”塔兰说。

研究人员在一个过程中提出了一个临时专利，以将钢操纵成更均匀的形式，以便制造更持久，更耐芯片的叶片。

“基本思想是减少这种异质性，而我们保持高硬度，”Roscioli说。“我们学会了如何制作更好的刀片，现在我们想做更好的刀片。”