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中国科大提出制备高强韧仿珍珠母结构陶瓷-金属复合材料的新策略
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中国科大提出制备高强韧仿珍珠母结构陶瓷-金属复合材料的新策略 贝类软体动物拥有坚固的保护外壳，这得益于其内部精妙的珍珠母结构。这种天然的纳米复合材料，由微米尺度的文石片（“砖”）与少量有机质（“泥”），通过“砖泥堆砌”的方式巧妙地结合而成。这种跨尺度序构特征赋予了珍珠母出色的强度和韧性，使其在受到外力时能够有效地吸收和分散能量，展现出超越其单一组分的卓越力学性能，有望应用于轻量化结构复材、防护装备等领域。然而，要实现大尺寸、形状可控的生产，并满足复杂的工程需求，仍面临诸多技术挑战。 2025年3月，《国家科学评论》（National Science Review）以“Scalable and shapable nacre-like ceramic-metal composites based on deformable microspheres”为题，刊发中国科学技术大学俞书宏院士团队最新研究成果，报道了一种基于可变形微球有序组装制备高性能仿珍珠母陶瓷—金属复合材料的新策略。该材料兼具高抗弯强度与高断裂韧性，且可通过简易工艺实现大规模、多形状定制化生产，为仿珍珠母结构复合材料走向实用化提供了新路径。 图1.仿珍珠母陶瓷—金属复合材料的制备流程示意图。分别依次经过乳化、过筛、表面修饰和热压烧结步骤，最终制备成型。 研究团队打破传统的“砖泥”分步制备思路，采用“一步乳液法”首先制备了尺寸可调的氧化铝微球，经过筛后得到粒径一致的微球并在其表面包裹镍盐层，进一步通过模具组装和热压烧结，在此过程中修饰后的复合微球被压扁成片状陶瓷，金属镍层则形成分隔结构，精准地复刻了天然珍珠母的微观“砖泥”结构（图1）。结构表征显示，该材料在多个尺度上得到了优化。在宏观层面，氧化铝陶瓷片与金属镍层交替排列（图2a）。在微观层面，镍颗粒渗入陶瓷片内部增强韧性（图2b），同时，两相界面结合紧密（图2c）。这种跨尺度协同效应使优化后的复合材料在室温下抗弯强度达到386 MPa，600°C高温下仍保持286.86 MPa(图2d)。其断裂韧性更突破至12.76 MPa·m¹/²（室温）与12.99 MPa·m¹/²（高温）（图2e）。所制备的仿珍珠母复合材料在受力发生破坏时，裂纹会沿陶瓷-金属界面发生偏转，通过能量耗散避免瞬间失效，这一特性使其在极端环境（如航天器热防护、高速冲击防护涂层）中极具应用潜力。 图2.仿珍珠母陶瓷—金属复合材料的多尺度结构及高低温力学性能。（a）抛光后的仿珍珠母陶瓷金属复合材料的扫描电镜照片；（b）金属镍渗入到陶瓷片层中的扫描电镜照片；（c）金属镍和陶瓷界面的高分辨透射电镜照片；（d）不同陶瓷片大小的复合材料在高低温下的裂纹扩展过程R曲线；（e）不同陶瓷片大小的复合材料在高低温下的弯曲强度。 这项研究是继该团队实现人工合成珍珠母工作的基础上（Science2016,354,107），进一步将仿珍珠母结构设计理念拓展至陶瓷—金属复合材料体系，并与快速塑形制备技术相结合，为助力仿生结构材料从实验室走向实用化迈出了关键一步。 中国科学技术大学硕士研究生陆宇杰、博士后孟祥森为论文共同第一作者。我校俞书宏院士和茅瓅波特任教授为通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导研究计划、新基石研究员项目、国家自然科学基金、安徽省重大基础研究计划和中国博士后科学基金会等资助。 论文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/12/3/nwaf006/7964895 （合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部） |
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