貝類軟體動物擁有堅固的保護外殼，這得益于其內(nèi)部精妙的珍珠母結(jié)構(gòu)。這種天然的納米復(fù)合材料，由微米尺度的文石片（“磚”）與少量有機質(zhì)（“泥”），通過“磚泥堆砌”的方式巧妙地結(jié)合而成。這種跨尺度序構(gòu)特征賦予了珍珠母出色的強度和韌性，使其在受到外力時能夠有效地吸收和分散能量，展現(xiàn)出超越其單一組分的卓越力學(xué)性能，有望應(yīng)用于輕量化結(jié)構(gòu)復(fù)材、防護裝備等領(lǐng)域。然而，要實現(xiàn)大尺寸、形狀可控的生產(chǎn)，并滿足復(fù)雜的工程需求，仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。
2025年3月，《國家科學(xué)評論》（National Science Review）以“Scalable and shapable nacre-like ceramic-metal composites based on deformable microspheres”為題，刊發(fā)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊最新研究成果，報道了一種基于可變形微球有序組裝制備高性能仿珍珠母陶瓷—金屬復(fù)合材料的新策略。該材料兼具高抗彎強度與高斷裂韌性，且可通過簡易工藝實現(xiàn)大規(guī)模、多形狀定制化生產(chǎn)，為仿珍珠母結(jié)構(gòu)復(fù)合材料走向?qū)嵱没峁┝诵侣窂健?/strong>
圖1.仿珍珠母陶瓷—金屬復(fù)合材料的制備流程示意圖。分別依次經(jīng)過乳化、過篩、表面修飾和熱壓燒結(jié)步驟，最終制備成型。
研究團隊打破傳統(tǒng)的“磚泥”分步制備思路，采用“一步乳液法”首先制備了尺寸可調(diào)的氧化鋁微球，經(jīng)過篩后得到粒徑一致的微球并在其表面包裹鎳鹽層，進一步通過模具組裝和熱壓燒結(jié)，在此過程中修飾后的復(fù)合微球被壓扁成片狀陶瓷，金屬鎳層則形成分隔結(jié)構(gòu)，精準地復(fù)刻了天然珍珠母的微觀“磚泥”結(jié)構(gòu)（圖1）。結(jié)構(gòu)表征顯示，該材料在多個尺度上得到了優(yōu)化。在宏觀層面，氧化鋁陶瓷片與金屬鎳層交替排列（圖2a）。在微觀層面，鎳顆粒滲入陶瓷片內(nèi)部增強韌性（圖2b），同時，兩相界面結(jié)合緊密（圖2c）。這種跨尺度協(xié)同效應(yīng)使優(yōu)化后的復(fù)合材料在室溫下抗彎強度達到386 MPa，600°C高溫下仍保持286.86 MPa(圖2d)。其斷裂韌性更突破至12.76 MPa·m1/2（室溫）與12.99 MPa·m1/2（高溫）（圖2e）。所制備的仿珍珠母復(fù)合材料在受力發(fā)生破壞時，裂紋會沿陶瓷-金屬界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過能量耗散避免瞬間失效，這一特性使其在極端環(huán)境（如航天器熱防護、高速沖擊防護涂層）中極具應(yīng)用潛力。
圖2.仿珍珠母陶瓷—金屬復(fù)合材料的多尺度結(jié)構(gòu)及高低溫力學(xué)性能。（a）拋光后的仿珍珠母陶瓷金屬復(fù)合材料的掃描電鏡照片；（b）金屬鎳滲入到陶瓷片層中的掃描電鏡照片；（c）金屬鎳和陶瓷界面的高分辨透射電鏡照片；（d）不同陶瓷片大小的復(fù)合材料在高低溫下的裂紋擴展過程R曲線；（e）不同陶瓷片大小的復(fù)合材料在高低溫下的彎曲強度。
這項研究是繼該團隊實現(xiàn)人工合成珍珠母工作的基礎(chǔ)上（Science2016,354,107），進一步將仿珍珠母結(jié)構(gòu)設(shè)計理念拓展至陶瓷—金屬復(fù)合材料體系，并與快速塑形制備技術(shù)相結(jié)合，為助力仿生結(jié)構(gòu)材料從實驗室走向?qū)嵱没~出了關(guān)鍵一步。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士研究生陸宇杰、博士后孟祥森為論文共同第一作者。我校俞書宏院士和茅瓅波特任教授為通訊作者。該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計劃、新基石研究員項目、國家自然科學(xué)基金、安徽省重大基礎(chǔ)研究計劃和中國博士后科學(xué)基金會等資助。
論文鏈接：
https://academic.oup.com/nsr/article/12/3/nwaf006/7964895
來源：中科大新聞網(wǎng)
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