中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)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(qiáng)機(jī)制中獲得啟發(fā)，提出一種新的仿生增韌方法，可顯著提升仿珍珠母陶瓷的韌性，韌性放大系數(shù)達(dá)16.1±1.1，優(yōu)于最先進(jìn)的仿生陶瓷。相關(guān)成果日前發(fā)表于《先進(jìn)材料》，對(duì)于先進(jìn)陶瓷材料設(shè)計(jì)和制造具有重要指導(dǎo)意義。

陶瓷具有硬度大、強(qiáng)度高和模量高等優(yōu)異特性，廣泛用于能源、醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域，然而其脆性限制了服役環(huán)境和使用壽命。受天然珍珠母“磚-泥”結(jié)構(gòu)啟發(fā)，仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷韌性得到極大提升，但僅能達(dá)到原料陶瓷的10倍，天然珍珠母的韌性提升卻可以高達(dá)40倍。對(duì)于很多仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷來(lái)說(shuō)，其韌性放大效率不足的一個(gè)重要原因在于設(shè)計(jì)和制備多級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，基元片強(qiáng)度相對(duì)于長(zhǎng)徑比來(lái)說(shuō)太低，導(dǎo)致裂紋在材料中擴(kuò)展時(shí)基元片會(huì)直接斷裂。

俞書(shū)宏院士課題組利用過(guò)去發(fā)展的框架誘導(dǎo)礦化生長(zhǎng)的方法，首次實(shí)現(xiàn)將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)模板上共礦化，使納米顆粒原位長(zhǎng)入文石基元片中。利用同步輻射衍射技術(shù)，分析了文石片層中殘余應(yīng)力的類型及其作用機(jī)制。結(jié)果表明，四氧化三鐵納米顆粒承擔(dān)拉應(yīng)力，由于其尺寸小對(duì)缺陷不敏感，拉應(yīng)力對(duì)其強(qiáng)度削弱影響不大;文石顆粒承擔(dān)壓應(yīng)力，使得文石片發(fā)生破壞時(shí)需要額外的外部拉力來(lái)平衡壓應(yīng)力，因此基元片的總拉伸強(qiáng)度得以提升。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，基元片強(qiáng)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(jī)制的耗能作用。由于納米顆粒誘發(fā)的殘余應(yīng)力對(duì)裂紋有閉合作用，材料的本體韌性也得到提升。結(jié)合珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)納米尺度殘余應(yīng)力的設(shè)計(jì)，顯著提升了仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性放大因子。同時(shí)，材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也有相應(yīng)提升。

審稿人認(rèn)為，“這是對(duì)仿生結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)顯著貢獻(xiàn)，并將吸引廣泛的興趣。”茅瓅波表示，這一新方法具有普適性，對(duì)于類似仿珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)陶瓷材料設(shè)計(jì)和制造具有重要指導(dǎo)意義。(桂運(yùn)安 記者 汪喬)

關(guān)鍵詞： 殘余應(yīng)力 天然珍珠 四氧化三鐵