陶瓷材料具有高剛度、高強度等特性，但是較低的任韌性限制了其進一步發(fā)展。生物結(jié)構(gòu)材料基于異相多級結(jié)構(gòu)和梯度界面成鍵的方式，能夠非常巧妙的將各種相互不兼容的機械性質(zhì)在相同材料中實現(xiàn)結(jié)合。然而大多數(shù)最先進的仿生結(jié)構(gòu)材料仍然無法滿足多種所需特性的整合。主要限制是缺乏有效的處理技術(shù)來實現(xiàn)復雜的層次結(jié)構(gòu)控制，導致精細結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和大批量制造之間的沖突仍然是這些異質(zhì)仿生材料的主要障礙。

基于此，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士/高懷嶺教授團隊受鮑魚殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)提出了一種簡單且可擴展的自下而上組裝方法來制造具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的仿生陶瓷樹脂復合材料，實現(xiàn)相互排斥的機械性能集于一身的特點（圖1）。通過結(jié)合連續(xù)納米纖維輔助蒸發(fā)誘導自組裝工藝，進一步層壓無壓燒結(jié)和樹脂滲透程序，異質(zhì)珍珠質(zhì)陶瓷樹脂復合材料具有局部可調(diào)的微觀結(jié)構(gòu)和性能，并且可批量制造。這些優(yōu)勢賦予它一種很有前途的結(jié)構(gòu)材料，可用于復雜場景下的實際應(yīng)用。該研究以題為“Scalable Manufacturing of Mechanical Robust Bio-Inspired Ceramic-Resin Composites with Locally Tunable Heterogeneous Structures”的論文發(fā)表在最新一期《Advanced Materials》上。

【異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與力學性能】

這種受珍珠層啟發(fā)的陶瓷樹脂復合材料有著有堅固堅韌的珍珠質(zhì)主體和堅硬的外表面，它們通過梯度夾層連接以緩解性能不匹配的缺點。因此，它不僅在準靜態(tài)加載條件下表現(xiàn)出低密度、高強度、剛度、韌性和硬度，在動態(tài)條件下具有出色的抗沖擊性能，優(yōu)于工程氧化鋁陶瓷。形成梯度變化的層結(jié)構(gòu)，很好的緩解了其結(jié)構(gòu)不匹配的問題。優(yōu)化條件后制備的材料具有珍珠結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了低密度（2.8 g cm-3）、高強度（292 MPa）、韌性（6.4 MPa m1/2）、表面硬度（1144 kgf mm-2），性能比工程氧化鋁的性能更好（圖2和3）。這種材料的研發(fā)為發(fā)展先進的結(jié)構(gòu)/功能擬生物異質(zhì)材料提供了一種新的策略。

圖1 珍珠質(zhì)復合材料的大規(guī)模制造

圖2. 靜態(tài)力學性能

圖3. 異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計和表征

【優(yōu)異的抗沖擊強度】

在實際使用中，結(jié)構(gòu)材料不僅經(jīng)常遇到準靜態(tài)載荷情況，而且還經(jīng)常遇到動態(tài)載荷情況，因此必須評估其在低/高速沖擊下的抗沖擊性。在沖擊測試中，均勻的類珍珠質(zhì)陶瓷樹脂復合材料在峰值力和總吸收能量方面均具有提高，進一步證實了珍珠層啟發(fā)的分層結(jié)構(gòu)在強化和增韌方面的有效作用（圖4）。在彈道沖擊試驗中，只有異質(zhì)復合材料保持其結(jié)構(gòu)完整性，而均相復合材料和工程氧化鋁則表現(xiàn)出明顯的碎裂現(xiàn)象。高速相機拍攝的照片顯示鋁制彈丸在接觸到異質(zhì)復合材料后發(fā)生了劇烈形變，異質(zhì)復合組鋁彈塑性變形程度明顯大于均質(zhì)復合組。金屬彈丸的較大塑性變形消耗了更多能量，反過來，減少了受影響材料需要吸收的能量。此外，由于彈丸變形較大，沖擊時的接觸面積增大，會分散沿面內(nèi)方向的局部應(yīng)力集中。因此，異質(zhì)復合材料表現(xiàn)出更好的抗彈道沖擊性能。

圖4. 動態(tài)沖擊力學性能研究

總結(jié)：作何通過提出一種簡單的自下而上的方法制備出一種具有可調(diào)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的珍珠質(zhì)陶瓷樹脂復合材料。所獲得的異質(zhì)類珍珠質(zhì)陶瓷-樹脂復合材料在準靜態(tài)和動態(tài)力學性能方面均優(yōu)于其均質(zhì)版本和工程氧化鋁。這項工作中提出的方法有望為工業(yè)規(guī)模的各種工程應(yīng)用開發(fā)出具有有新型結(jié)構(gòu)的功能性材料。