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據(jù)中國(guó)科大消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)近日提出了一種創(chuàng)新的仿珍珠母陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料制備新方法。該材料結(jié)合了高性能陶瓷和金屬特性，具有高強(qiáng)度與高韌性兼具的特點(diǎn)，且可通過(guò)簡(jiǎn)單工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、多形狀的定制生產(chǎn)。研究成果發(fā)表在2025年《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》期刊上，為珍珠母結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑。
研究者發(fā)現(xiàn)，珍珠母結(jié)構(gòu)由無(wú)數(shù)碳酸鈣薄片（類(lèi)似"磚塊"）與少量蛋白質(zhì)（類(lèi)似"水泥"）通過(guò)層狀堆砌而成，這種結(jié)構(gòu)在承受外力時(shí)，既能保持高強(qiáng)度，又能高效耗散能量，從而在材料強(qiáng)度不足時(shí)實(shí)現(xiàn)1+1>2的防護(hù)效果。受此啟發(fā)，科研人員成功制備出更輕薄但堅(jiān)固的復(fù)合材料，這一成果有望應(yīng)用于防彈衣和航天材料領(lǐng)域。然而，實(shí)現(xiàn)該材料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)并精確控制其形狀，目前仍面臨技術(shù)瓶頸。
俞書(shū)宏團(tuán)隊(duì)突破了傳統(tǒng)"磚泥"分步制備方法，采用了一種創(chuàng)新的"一步乳液法"。具體而言，首先制備了可調(diào)節(jié)尺寸的氧化鋁微球，經(jīng)過(guò)篩分處理后獲得粒徑一致的微球，并在其表面均勻覆蓋鎳鹽層。隨后通過(guò)模具組裝和熱壓燒結(jié)工藝，將修飾后的復(fù)合微球壓扁成片狀陶瓷，同時(shí)金屬鎳層形成分隔結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)復(fù)刻了天然珍珠母的微觀(guān)"磚泥"結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)表征顯示，該材料在宏觀(guān)和微觀(guān)層面均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。在宏觀(guān)層面，氧化鋁陶瓷片與金屬鎳層實(shí)現(xiàn)了交替排列；在微觀(guān)層面，鎳顆粒滲透至陶瓷片內(nèi)部，增強(qiáng)了材料的韌性，同時(shí)確保了兩相界面的緊密結(jié)合。這種跨尺度協(xié)同效應(yīng)使優(yōu)化后的復(fù)合材料在高溫和低溫環(huán)境下均展現(xiàn)出優(yōu)異的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性。
研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，仿珍珠母復(fù)合材料在受力發(fā)生破壞時(shí)，裂紋會(huì)沿著陶瓷-金屬界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)能量耗散機(jī)制有效避免了瞬間失效。這一特性使其在極端環(huán)境下，如航天器熱防護(hù)和高速?zèng)_擊防護(hù)涂層領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究是繼該團(tuán)隊(duì)成功人工合成珍珠母工作之后，進(jìn)一步將仿珍珠母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念拓展至陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料體系，并與快速塑形制備技術(shù)相結(jié)合，為將仿生結(jié)構(gòu)材料從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没~出了關(guān)鍵一步。（記者汪喬）
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