俞书宏院士团队AM：具有局部可调异质结构的仿生陶瓷树脂复合材料的可扩展制造

俞书宏院士团队AM：具有局部可调异质结构的仿生陶瓷树脂复合材料的可扩展制造

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一、【导读】

结构材料的快速发展在许多领域面临越来越高的要求，通常需要这些材料具有低密度、高强度、刚度、硬度和韧性等多种理想性能。但不幸的是，这些特性通常是相互排斥的，很难集成到一种材料中。具有代表性的陶瓷材料因其高强度、刚度和高环境稳定性而被广泛用作工程结构材料，但由于其抗损伤韧性低而导致其应用范围受到极大的限制。而生物结构材料，如贝壳、骨、牙、竹等，则可以通过多尺度的异质结构设计，将不同性质结合在一起。

在过去的几十年里，仿生结构材料的制造取得了巨大的进展，特别是仿珍珠母陶瓷-树脂复合材料。但遗憾的是，大多数先进的仿生结构材料仍然难以实现多种理想性能的完美整合，主要的限制被认为是缺乏有效的组装手段和制备工艺来实现复杂的多层级结构控制。近年来，受生物材料中异质结构设计原理的启发，研究人员尝试构建多层级异质结构，旨在追求具有协同增强多性能的复合材料。然而，精细结构构建和宏量制造之间的冲突仍然是许多异质仿生材料的主要障碍。

二、【成果掠影】

在此，中国科学技术大学高怀岭教授、俞书宏院士团队通过一种简单且可宏量化的自下而上的组装方法制备了具有异质结构的仿生陶瓷-树脂复合材料，实现了多种所需但互斥的力学性能的集合。研究人员通过将连续纳米纤维辅助蒸发诱导自组装工艺与层压、无压烧结和树脂渗透工艺相结合，设计制备了具有局部微观结构和性能可调以及宏观几何结构可塑的异质仿珍珠母陶瓷-树脂复合材料。类似于软体动物的外壳，这种仿生材料被设计成坚韧的珍珠母状主体和坚硬的外表面，它们通过梯度渐变层连接起来，以缓解异质层之间性能不匹配的问题。结果表明，优化后的异质珍珠母状复合材料具有低密度(≈2.8 g cm⁻³)、高强度(≈292 MPa)、高韧性(≈6.4 MPa m^1/2)、高表面硬度(≈1144 kgf mm⁻²)和优异的抗冲击性能，其综合机械性能优于工程氧化铝陶瓷。这些优点为复杂情况下的实际应用提供了一种有前途的结构材料。

相关研究成果以“Scalable Manufacturing of Mechanical Robust Bioinspired Ceramic–Resin Composites with Locally Tunable Heterogeneous Structures”为题发表在国际顶级期刊ADVANCED MATERIALS上。

三、【核心创新点】

1、该研究通过一种简单的自下而上的方法，大规模制备了具有可调异构结构的仿生陶瓷-树脂复合材料，并将多种工程所需但相互排斥的机械性能集于一身。

2、最优条件下的异质珍珠状复合材料具有低密度(≈2.8 g cm⁻³)、高强度(≈292 MPa)、高韧性(≈6.4 MPa m^1/2)、高表面硬度(≈1144 kgf mm⁻²)和优异的抗冲击性能，优于工程氧化铝陶瓷。从而诞生了一种有前途的工程结构材料。

四、【数据概览】

图1 珍珠层状复合材料的大规模制造。a）珍珠层状陶瓷-树脂复合材料的大规模制造过程示意图。b）示意图显示了通过纳米纤维辅助蒸发诱导的自组装方法连续制备珍珠层状复合膜。c、d）通过（b）中所示的连续纤维辅助蒸发诱导自组装方法制备的大规模珍珠层状复合膜的数字照片（c）和截面SEM图像（d）。e）SEM图像显示了珍珠层状陶瓷-树脂复合材料的横截面。黄色箭头突出显示了排列在聚合物基质中的氧化铝微板的边界。插入物显示了聚合物渗透前珍珠层状陶瓷支架的小角度X射线散射图像。f）数码照片显示了一个大尺寸的珍珠层状陶瓷-树脂复合材料和一个拱形的模制珍珠层状瓷树脂复合材料（插入）；© 2023 Wiley-VCH GmbH.

图2 异构设计和特性。a–c）异质珍珠层状陶瓷支架不同部分的开孔率（a）、热膨胀系数（b）和模量（c）的梯度变化。d） SEM图像显示了具有梯度夹层的异质珍珠层状陶瓷支架的横截面，以及不同分的放大图像。e）SEM图像显示了弯曲失效后没有梯度界面的异质珍珠层状陶瓷的横截面。白色箭头表示裂纹萌生方向。f）具有和不具有梯度夹层的异质珍珠层状陶瓷支架的抗弯强度。g）沿从完全致密的陶瓷表面到复合材料主体的方向，具有和不具有梯度夹层的非均质珍珠层状陶瓷-树脂复合材料横截面的维氏硬度；© 2023 Wiley-VCH GmbH.

图3 准静态力学性能研究。a）均质珍珠状陶瓷树脂框架和复合材料、异质珍珠状陶瓷树脂框架和复合材料的典型应力-应变曲线。b）均质框架与均质复合材料、异质框架与异质复合材料抗弯强度的比较。c）氧化铝、Homo复合材料和Hetero复合材料的裂纹起裂韧性(K_IC)和稳定裂纹扩展韧性(K_JC)的比较。d）非均质复合材料断口形貌的SEM图像。e）非均质复合材料裂纹扩展的x射线断层扫描图像。1~3片平行于裂纹扩展方向。f）维氏硬度测试后均质复合材料和非均质复合材料上压痕的光学显微镜图像。g）Homo复合材料和Hetero复合材料微划痕试验后维氏硬度和穿透宽度的比较。h）光学显微镜图像显示了均质复合材料和异质复合材料上的微划痕。i）比较氧化铝、均质复合材料和异质复合材料性能的对比雷达图；© 2023 Wiley-VCH GmbH.

图4 动态冲击力学性能研究。a）显示落锤冲击试验设置的示意图。b）氧化铝、均质珍珠状陶瓷-树脂复合材料和非均质珍珠状陶瓷-树脂复合材料落锤冲击峰值力的比较。c）氧化铝、均质复合材料和异质复合材料在落锤冲击试验中吸收总能量的比较。d）显示非均匀复合材料弹道冲击过程的高速摄像机快照。e-g）氧化铝、均质复合材料和异质复合材料典型试样在弹道冲击试验后的x射线断层扫描图像。h-j）光学显微镜图像显示了典型的氧化铝弹丸在撞击氧化铝、均质复合材料和异质复合材料后具有不同的塑性变形区域；© 2023 Wiley-VCH GmbH.

五、【成果启示】

总之，该研究通过提出了一种简单的自下而上的方法，大规模制备了具有可调异构结构的仿生陶瓷-树脂复合材料。陶瓷-树脂复合材料的主体是坚硬坚韧的珍珠状，外表面是坚硬的。在这两部分之间引入梯度夹层，使相邻的异质层之间逐渐过渡，有效地缓解了它们的性能不匹配缺点。这种异质结构实现了高度期望但具有挑战性的任务，即将多种相互排斥的机械性能集成到单一材料中。得到的异质珍珠状陶瓷树脂复合材料在准静态和动态力学性能方面均优于工程氧化铝。此外，由于可扩展性和材料无关的特点，这项工作中提出的方法不仅有望设计和制造结构材料，而且有望在工业规模上为各种工程应用设计和制造功能先进的功能材料。

原文详情：Scalable Manufacturing of Mechanical Robust Bioinspired Ceramic–Resin Composites with Locally Tunable Heterogeneous Structures，2023，https://doi.org/10.1002/adma.202209510）

本文由LWB供稿。