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中安在線、中安新聞客戶端訊(記者汪喬)3月10日,中國科學技術大學俞書宏院士團隊提出了一種創(chuàng)新的材料合成策略,成功制備出一種高性能的陶瓷-金屬復合材料。這一材料結合了天然珍珠母的微觀結構,具有優(yōu)異的抗彎強度和斷裂韌性。研究人員認為,這種材料可以通過簡單的制造工藝實現大規(guī)模、定制化生產,從而推動仿珍珠母結構在實際應用中的推廣。相關研究成果發(fā)表在2025年《國家科學評論》的第三期。
貝殼類軟體動物的外殼呈現出堅硬的保護層,這種結構為人類提供了重要的靈感。科學家發(fā)現,珍珠母結構由無數碳酸鈣薄片(類似建筑用的磚塊)和少量蛋白質(類似于水泥)通過層層堆砌形成。這種結構使得珍珠母在承受外力時,不僅保持了高強度,還能夠有效分散能量,從而在材料強度不高的情況下提供出1+1>2的防護效果?;谶@一發(fā)現,科研人員成功模仿珍珠母結構制備出一種更輕且堅固的復合材料,這種材料有望被應用于防彈衣和航天領域。然而,大規(guī)模生產這種材料并精確控制其形狀仍面臨技術挑戰(zhàn)。
俞書宏團隊突破了傳統的"磚泥"分步制備方法,采用了一種"一步乳液法"。該方法首先制備可調節(jié)尺寸的氧化鋁微球,經過篩分后得到粒徑一致的微球,并在其表面均勻覆蓋鎳鹽層。接著通過模具組裝和熱壓燒結工藝,將修飾后的微球壓扁成片狀陶瓷,同時形成分隔結構的金屬鎳層。這種工藝精準地還原了天然珍珠母的微觀結構。
結構表征顯示,該材料在宏觀和微觀層面均實現了優(yōu)化。宏觀上,氧化鋁陶瓷片與金屬鎳層交替排列;微觀上,鎳顆粒深入陶瓷片內部以增強韌性,同時兩相界面結合緊密。這種跨尺度的協同效應使得材料在高溫和低溫環(huán)境下均表現出優(yōu)異的抗彎強度和斷裂韌性。實驗發(fā)現,當材料受到破壞時,裂紋會沿著陶瓷-金屬界面發(fā)生偏轉,通過能量耗散機制避免瞬間失效。這一特性使其在航天器熱防護和高速沖擊防護涂層等領域具有廣闊的前景。
這項研究是繼該團隊成功人工合成珍珠母結構后的又一重要成果。通過將仿珍珠母結構設計理念擴展至陶瓷-金屬復合材料體系,并結合快速塑形制備技術,該研究為將仿生結構材料從實驗室走向實際應用邁出了關鍵一步。(記者汪喬)
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