中國科大提出仿生結構陶瓷增韌新策略

陶瓷具有硬度大、模量高等優(yōu)異特性，被廣泛用于航天航空、能源、醫(yī)療等領域，然而其本征脆性卻限制了其服役環(huán)境和使用壽命。

近日，中國科大俞書宏院士課題組提出了一種新的仿生增韌路徑，并運用于人工珍珠母的礦化生長，顯著提升了仿珍珠母陶瓷塊材的韌性放大效率。相關研究成果以Artificial nacre with high toughness amplification factor:Residual stress-engineering sparks enhanced extrinsic toughening mechanisms為題發(fā)表在Adv.Mater.上。

研究人員首次實現(xiàn)了將納米Fe3O4顆粒與Ca(HCO3)2前驅體溶液在幾丁質模板上共礦化，使納米顆粒原位生長入文石基元片中。結果表明，四納米顆粒承擔拉應力，由于其尺寸小（納米級），對缺陷不敏感，因此拉應力對其強度削弱影響不大；文石顆粒承擔壓應力，使得文石片發(fā)生破壞時需要額外的外部拉力來平衡壓應力，因此基元片的總拉伸強度得以提升。結合試驗與有限元分析，證實了基元片強度的提升有利于基元片滑移與裂紋偏轉，有效地提高了外部增韌機制的耗能作用。因此，結合珍珠母層狀結構的優(yōu)點，通過納米尺度殘余應力的設計，顯著提升了仿珍珠母結構陶瓷的韌性放大因子。同時，材料的動態(tài)力學性能也有相應提升。

這一新的仿生增韌策略-殘余應力增強機制可有效提升層狀基元片層強度，對于類似仿珍珠母層狀結構的先進陶瓷材料的設計和制造具有指導意義。研究受到國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。