中科大俞书宏院士/高怀岭教授《AM》：仿生陶瓷-树脂复合材料，实现局部可调异质结构！

陶瓷材料具有高刚度、高强度等特性，但是较低的任韧性限制了其进一步发展。生物结构材料基于异相多级结构和梯度界面成键的方式，能够非常巧妙的将各种相互不兼容的机械性质在相同材料中实现结合。然而大多数最先进的仿生结构材料仍然无法满足多种所需特性的整合。主要限制是缺乏有效的处理技术来实现复杂的层次结构控制，导致精细结构的构造和大批量制造之间的冲突仍然是这些异质仿生材料的主要障碍。

基于此，中国科学技术大学俞书宏院士/高怀岭教授团队受鲍鱼壳结构启发提出了一种简单且可扩展的自下而上组装方法来制造具有异质结构的仿生陶瓷树脂复合材料，实现相互排斥的机械性能集于一身的特点（图1）。通过结合连续纳米纤维辅助蒸发诱导自组装工艺，进一步层压无压烧结和树脂渗透程序，异质珍珠质陶瓷树脂复合材料具有局部可调的微观结构和性能，并且可批量制造。这些优势赋予它一种很有前途的结构材料，可用于复杂场景下的实际应用。该研究以题为“Scalable Manufacturing of Mechanical Robust Bio-Inspired Ceramic-Resin Composites with Locally Tunable Heterogeneous Structures”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。

【异质结构的设计与力学性能】

这种受珍珠层启发的陶瓷树脂复合材料有着有坚固坚韧的珍珠质主体和坚硬的外表面，它们通过梯度夹层连接以缓解性能不匹配的缺点。因此，它不仅在准静态加载条件下表现出低密度、高强度、刚度、韧性和硬度，在动态条件下具有出色的抗冲击性能，优于工程氧化铝陶瓷。形成梯度变化的层结构，很好的缓解了其结构不匹配的问题。优化条件后制备的材料具有珍珠结构，实现了低密度（2.8 g cm-3）、高强度（292 MPa）、韧性（6.4 MPa m1/2）、表面硬度（1144 kgf mm-2），性能比工程氧化铝的性能更好（图2和3）。这种材料的研发为发展先进的结构/功能拟生物异质材料提供了一种新的策略。

图1 珍珠质复合材料的大规模制造

图2. 静态力学性能

图3. 异质结构设计和表征

【优异的抗冲击强度】

在实际使用中，结构材料不仅经常遇到准静态载荷情况，而且还经常遇到动态载荷情况，因此必须评估其在低/高速冲击下的抗冲击性。在冲击测试中，均匀的类珍珠质陶瓷树脂复合材料在峰值力和总吸收能量方面均具有提高，进一步证实了珍珠层启发的分层结构在强化和增韧方面的有效作用（图4）。在弹道冲击试验中，只有异质复合材料保持其结构完整性，而均相复合材料和工程氧化铝则表现出明显的碎裂现象。高速相机拍摄的照片显示铝制弹丸在接触到异质复合材料后发生了剧烈形变，异质复合组铝弹塑性变形程度明显大于均质复合组。金属弹丸的较大塑性变形消耗了更多能量，反过来，减少了受影响材料需要吸收的能量。此外，由于弹丸变形较大，冲击时的接触面积增大，会分散沿面内方向的局部应力集中。因此，异质复合材料表现出更好的抗弹道冲击性能。

图4. 动态冲击力学性能研究

总结：作何通过提出一种简单的自下而上的方法制备出一种具有可调异质结构的珍珠质陶瓷树脂复合材料。所获得的异质类珍珠质陶瓷-树脂复合材料在准静态和动态力学性能方面均优于其均质版本和工程氧化铝。这项工作中提出的方法有望为工业规模的各种工程应用开发出具有有新型结构的功能性材料。

封面来源：图虫创意