中科大學者提出增強仿生陶瓷韌性的新方法

中國科學技術大學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力增強機制中獲得啟發，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，韌性放大系數達16.1±1.1，優于最先進的仿生陶瓷。相關成果日前發表于《先進材料》，對于先進陶瓷材料設計和制造具有重要指導意義。

陶瓷具有硬度大、強度高和模量高等優異特性，廣泛用于能源、醫療、航天航空等領域，然而其脆性限制了服役環境和使用壽命。受天然珍珠母“磚-泥”結構啟發，仿珍珠母結構陶瓷韌性得到極大提升，但僅能達到原料陶瓷的10倍，天然珍珠母的韌性提升卻可以高達40倍。對于很多仿珍珠母結構陶瓷來說，其韌性放大效率不足的一個重要原因在于設計和制備多級結構時，基元片強度相對于長徑比來說太低，導致裂紋在材料中擴展時基元片會直接斷裂。

俞書宏院士課題組利用過去發展的框架誘導礦化生長的方法，首次實現將納米四氧化三鐵顆粒與碳酸氫鈣前驅體溶液在幾丁質模板上共礦化，使納米顆粒原位長入文石基元片中。利用同步輻射衍射技術，分析了文石片層中殘余應力的類型及其作用機制。結果表明，四氧化三鐵納米顆粒承擔拉應力，由于其尺寸小對缺陷不敏感，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。實驗證實，基元片強度的提升有利于基元片滑移與裂紋偏轉，有效提高了外部增韌機制的耗能作用。由于納米顆粒誘發的殘余應力對裂紋有閉合作用，材料的本體韌性也得到提升。結合珍珠母層狀結構的優點，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，材料的動態力學性能也有相應提升。

審稿人認為，“這是對仿生結構材料的一個顯著貢獻，并將吸引廣泛的興趣。”茅瓅波表示，這一新方法具有普適性，對于類似仿珍珠母層狀結構的先進陶瓷材料設計和制造具有重要指導意義。(桂運安 記者 汪喬)

關鍵詞： 殘余應力 天然珍珠 四氧化三鐵