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中國科大俞書宏院士團隊開發(fā)一種創(chuàng)新材料:有序排列的可變形微球通過乳液法形成。這種材料由氧化鋁陶瓷片與金屬鎳層交替排列構成,在微觀層面,鎳顆粒滲透到陶瓷內部以增強韌性,同時界面結合緊密。該復合材料兼具高強度與高韌性,且生產(chǎn)過程簡便,可實現(xiàn)定制化生產(chǎn)。研究發(fā)表于《國家科學評論》。
科學家發(fā)現(xiàn),珍珠母結構由無數(shù)碳酸鈣薄片(類似磚塊)與少量蛋白質(類似水泥)層層堆疊而成,這種結構在受力時能有效分散能量。科研人員據(jù)此設計,通過仿制珍珠母結構,制成更輕更堅固的復合材料,可應用于防彈衣和航天材料。然而,大規(guī)模生產(chǎn)的精確控制仍是技術難題。
俞書宏團隊突破傳統(tǒng)制備方法,采用乳液法:首先制備可調尺寸的氧化鋁微球,經(jīng)過篩分后得到一致粒徑的微球,并在其表面均勻包裹鎳鹽層。通過模具組裝和熱壓燒結,微球被壓扁成片狀陶瓷,同時形成分隔結構。這種工藝精準復刻了天然珍珠母的微觀結構。
結構表征顯示,材料在多個尺度上進行了優(yōu)化。宏觀上,氧化鋁陶瓷片與金屬鎳層交替排列;微觀上,鎳顆粒滲透到陶瓷內部,增強韌性,同時界面結合緊密。這種跨尺度協(xié)同效應使材料在高溫和低溫下均表現(xiàn)出優(yōu)異的強度和韌性。實驗表明,材料在受力破壞時,裂紋沿陶瓷-金屬界面偏轉,通過能量耗散避免瞬間失效,具有在極端環(huán)境下應用的潛力。
這項研究在人工合成珍珠母基礎上,將仿生設計理念拓展至陶瓷-金屬復合材料,結合快速塑形技術,為仿生結構材料從實驗室走向實用化奠定了重要基礎。(記者汪喬)
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