仿生陶瓷再增韌性不斷從大自然中得到啟發(fā)

2022-03-17 16:53:23化工儀器網(wǎng)閱讀量：1758      我要評論

　　在眾多材料中，陶瓷材料具有著許多金屬材料及高分子材料都難以比擬的優(yōu)良特性，具有低密度、高強度的優(yōu)點。多數(shù)陶瓷的密度是金屬密度的50%，因此由陶瓷制作而成的零部件不但自身的質(zhì)量小，并且還可以減少驅(qū)動一些運動件所需的能量，有利于加快響應(yīng)速度，從而減小振動。由于其優(yōu)異的特性，陶瓷材料被廣泛用于能源、醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域，甚至是分析儀器的配件耗材中也有它的存在。但是陶瓷材料的本征脆性卻限制了其服役環(huán)境和使用壽命。

　　而科學(xué)家們早已發(fā)現(xiàn)，貝殼其特殊的結(jié)構(gòu)賦予其具有很高的強度和韌性。珍珠母主要由一層層碳酸鈣構(gòu)成，層間是幾丁質(zhì)之類的二元共聚物，其硬度和韌性比高級陶瓷的數(shù)量級要高得多。若是開展對貝殼等生物材料的微結(jié)構(gòu)及其性能的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計研究，那么這種人工合成具有貝殼特性的高性能材料極可能被廣泛應(yīng)用，甚至能夠用于增強軍方裝甲的抗擊船能力。如果能完全仿照珍珠母的微結(jié)構(gòu)，從理論上說，裝甲性能還可以再提高上百倍。

　　早在2009年就有科學(xué)家以氧化鋁替代碳酸鈣，在冰點溫度下小心控制氧化鋁的生長，層間填充的二元共聚物則以聚甲基丙烯酸甲酯，最后得到了一種抗裂強度高于氧化鋁300倍的堅硬陶瓷。這種珍珠層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷復(fù)合材料，在應(yīng)力場中表現(xiàn)為大量能量的吸收及釋放，以此來解決陶瓷在工程中無法預(yù)測的突然斷裂的問題。并且制備缺陷在珍珠層狀材料中受影響較小，能夠有效地抵消材料在制備過程中無法避免的一些缺陷，從而大大提高其力學(xué)性能特性，使得材料能夠在超過其本身強度的同時，韌性提高幾個數(shù)量級。

　　盡管仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性得到了極大提升，但也僅僅是能達(dá)到原料陶瓷的10倍，天然珍珠母的韌性提升卻可高達(dá)40倍。對于很多仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷來說，其韌性放大效率不足的一個重要原因，在于設(shè)計和制備多級結(jié)構(gòu)時，基元片強度相對于長徑比來說太低，裂紋在材料中擴展時會導(dǎo)致基元片直接斷裂。

　　為了解決這樣的問題，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士課題組茅瓅波副研究員等從生物礦物的殘余應(yīng)力增強機制中獲得啟發(fā)，提出一種新的仿生增韌方法，他們利用框架誘導(dǎo)礦化生長的方法，首次實現(xiàn)納米四氧化三鐵顆粒與碳酸氫鈣前驅(qū)體溶液在幾丁質(zhì)模板上的共礦化，使納米顆粒在文石基元片中原位生長。

　　研究者們利用同步輻射衍射技術(shù)對其進(jìn)行分析結(jié)果表明，四氧化三鐵納米顆粒承擔(dān)拉應(yīng)力，文石顆粒承擔(dān)壓應(yīng)力，基元片的總拉伸強度得以提升。而基元片強度的提升有利于基元片滑移與裂紋偏轉(zhuǎn)，有效提高了外部增韌機制的耗能作用。由于納米顆粒誘發(fā)的殘余應(yīng)力對裂紋有閉合作用，材料的本體韌性也得到提升。再結(jié)合珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，通過納米尺度殘余應(yīng)力的設(shè)計，仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性放大因子得到顯著提升。這種方法能夠顯著提升仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性，并且韌性放大系數(shù)要優(yōu)于前沿的仿生陶瓷。

　　自古以來，自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。就像仿生陶瓷，人們從貝殼開始研究，分析其組成、研究其結(jié)構(gòu)，最后通過模仿它的組成和結(jié)構(gòu)制備出我們所期望的材料，然后再將其應(yīng)用與我們的生活。這些生物早在人類出現(xiàn)之前就已經(jīng)存活了億萬年，在它們?yōu)樯娑窢幍拈L期進(jìn)化中，獲得了與大自然相適應(yīng)的能力，包括體內(nèi)的生物合成、能量轉(zhuǎn)換、信息的接收和傳遞、對外界的識別、導(dǎo)航、定向計算以及綜合等，都顯示出了許多機器所不能比擬的優(yōu)越之處。當(dāng)我們不斷去了解自然、挖掘自然，對自然永遠(yuǎn)保持一顆好奇心，那么必然會不斷地從自然中學(xué)習(xí)到更多能夠運用在我們?nèi)粘Ｉ畹闹R。同樣，我們的分析儀器也會在新技術(shù)的不斷發(fā)現(xiàn)、研究、運用中變得更為精湛。

　　(資料來源：科技日報、知網(wǎng))

　　(原標(biāo)題：仿生陶瓷再增韌性不斷從大自然中得到啟發(fā))

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