材料新突破！可变形微球打造仿珍珠质陶瓷-金属复合材料

在珍珠母贝的孕(yùn)育(yù)下(xià)，大(dà)自(zì)然(rán)用百万年时间创造了堪称完美的生物陶瓷——珍珠质。这种天然复合材料由脆性文石晶体（＞95%）与柔性有机物（＜5%）组成，通过独特的"砖泥结构"构建出令人惊叹的力学性能：其断裂韧性可达纯碳酸钙的3000倍，抗冲击能力更是比基础材料高出两个数量级。材料科学家正从这种精妙的生物结构中汲取灵感。通过3D打印、冰模板法、自组装等前沿技术，使用已有片状或者颗(kē)粒(lì)状(zhuàng)基(jī)元(yuán)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)已(yǐ)成(chéng)功(gōng)仿(fǎng)制(zhì)出(chū)仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)结(jié)构(gòu)材(cái)料(liào)。实(shí)验(yàn)数(shù)据(jù)显(xiǎn)示(shì)，这(zhè)类(lèi)仿(fǎng)生(shēng)材(cái)料(liào)的(de)抗(kàng)压(yā)强(qiáng)度(dù)可(kě)达(dá)传(chuán)统(tǒng)复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)的(de)5-8倍(bèi)，能(néng)量(liàng)吸(xī)收(shōu)效(xiào)率(lǜ)提(tí)升(shēng)近(jìn)10倍(bèi)，在(zài)航(háng)空(kōng)航(háng)天(tiān)、防(fáng)弹(dàn)装(zhuāng)甲(jiǎ)等(děng)领(lǐng)域展(zhǎn)现(xiàn)出(chū)革(gé)命(mìng)性(xìng)应(yīng)用(yòng)潜(qián)力(lì)。然(rán)而(ér)，受(shòu)限(xiàn)于(yú)目(mù)前(qián)的(de)制(zhì)备(bèi)工(gōng)艺(yì)、材(cái)料(liào)尺(chǐ)寸(cùn)、材(cái)料(liào)形(xíng)状(zhuàng)等(děng)多(duō)方(fāng)面(miàn)的(de)因(yīn)素(sù)，面(miàn)向(xiàng)应(yīng)用(yòng)的(de)高(gāo)性(xìng)能(néng)仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)结(jié)构(gòu)的(de)复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)的(de)研(yán)发(fā)仍(réng)存(cún)在(zài)迫(pò)切(qiè)需(xū)求(qiú)。

近(jìn)期(qī)，中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)大(dà)学(xué)俞(yú)书(shū)宏院士、茅瓅波教授团队提出了一种可大规模生产各种尺寸，不同形状的仿珍珠质结构材料的制备工艺，制备了一种兼具高抗弯强度和高断裂韧性的仿珍珠质结构材料。相关研究成果发表在国际学术期刊《国家科学评论》（National Science Review）。

1 材料合成

首先使用一步乳液法制备了氧化铝微球，并在微球表面沉积了一层镍盐构成的球壳。通过将复合微球在不同形状的模具中组装得到陶瓷胚体。在胚体被热压烧结的过程中，材料中的孔隙被压实，同时微球被压扁成片状，这些片状陶瓷被表面的镍分隔，构成了仿珍珠质的砖-泥结构。由于仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)材(cái)料(liào)由(yóu)复(fù)合微球组装而成，可以通过简单的调节微球粒径来实现材料的微观结构调控。

图1 复合材料的制备流程

2 微观结构

仿珍珠质氧化铝陶瓷-金属镍复合材料展现出了多尺度的微结构，片状的氧化铝陶瓷由金属镍层分隔开，构成了典型的砖-泥结构。在更小的尺度上，片状陶瓷内部可以观察到微小的镍颗粒，这些镍颗粒在陶瓷致密化之前渗入其中，使陶瓷微片的韧(rèn)性(xìng)进(jìn)一(yī)步(bù)提(tí)升(shēng)。在(zài)纳(nà)米(mǐ)尺(chǐ)度(dù)上(shàng)，氧(yǎng)化(huà)铝(lǚ)陶(táo)瓷(cí)-金(jīn)属(shǔ)镍(niè)的(de)界(jiè)面(miàn)接(jiē)触(chù)良(liáng)好(hǎo)。

图(tú)2 仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)的(de)多(duō)尺(chǐ)度(dù)结(jié)构(gòu)表(biǎo)征(zhēng)

3 力(lì)学(xué)性(xìng)能(néng)

材(cái)料(liào)多(duō)尺(chǐ)度(dù)的微结构赋(fù)予(yǔ)其(qí)优(yōu)异(yì)的(de)力(lì)学(xué)性(xìng)能(néng)，氧(yǎng)化(huà)铝(lǚ)-金(jīn)属(shǔ)镍(niè)复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)兼(jiān)具(jù)高(gāo)抗(kàng)弯(wān)强(qiáng)度(dù)（室(shì)温(wēn)下(xià)为(wèi) 386 MPa，600°C 时(shí)286.86 MPa）和(hé)高(gāo)断(duàn)裂(liè)韧(rèn)性(xìng)（室(shì)温(wēn)12.76 MPa·m1/2，600 °C 时(shí)12.99 MPa·m 1/2）。在材料受力断裂，裂纹沿着陶瓷-金属界面发生偏转，极大的耗散了能量，有效的阻止了灾难性失(shī)效(xiào)发(fā)生(shēng)。

图(tú)3 复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)的(de)力(lì)学(xué)性(xìng)能(néng)表(biǎo)征(zhēng)

4 结(jié)论(lùn)

研(yán)究(jiū)者(zhě)提(tí)出(chū)了(le)一(yī)种(zhǒng)基(jī)于(yú)可(kě)变(biàn)形(xíng)陶(táo)瓷(cí)微(wēi)球(qiú)压(yā)力(lì)组(zǔ)装(zhuāng)的(de)仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)结(jié)构(gòu)材(cái)料(liào)制(zhì)备(bèi)方(fāng)案(àn)，成(chéng)功(gōng)制(zhì)备(bèi)了(le)兼(jiān)具(jù)高(gāo)强(qiáng)度(dù)、高(gāo)韧(rèn)性(xìng)的(de)仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)陶(táo)瓷(cí)金(jīn)属(shǔ)复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)。这(zhè)种(zhǒng)制(zhì)备(bèi)方(fāng)案(àn)无(wú)需(xū)复(fù)杂(zá)工(gōng)艺(yì)，可(kě)大(dà)规(guī)模(mó)生(shēng)产(chǎn)各(gè)种(zhǒng)尺(chǐ)寸(cùn)，不(bù)同(tóng)形(xíng)状(zhuàng)的(de)仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)结(jié)构(gòu)材(cái)料(liào)，为(wèi)面(miàn)向(xiàng)实(shí)用(yòng)化(huà)的(de)仿(fǎng)生(shēng)材(cái)料(liào)设(shè)计(jì)与(yǔ)制(zhì)备(bèi)提(tí)供(gōng)了(le)新(xīn)的(de)借(jiè)鉴(jiàn)和(hé)启(qǐ)发(fā)。

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Scalable and shapable nacre-like ceramic-metal composites based on deformable microspheres. National Science Review. doi:10.1093/nsr/nwaf006