蘇黎世聯邦理工學院Adv. Funct. Mater.：通過礦物橋增韌的透明珍珠質復合材料

【引言】

堅固透明的材料可用于多種應用，從電子設備中的顯示器和光通信中的光纖到建筑，建筑和藝術中的結構元素。盡管存在廣泛的需求，但高強度和光學透明性通常是難以在單一均質材料中調和的性能。這解釋了在同時需要強度和透明度的應用中，廣泛使用了基于二氧化硅的玻璃作為主要材料。盡管最先進的氧化物玻璃具有足夠的強度，可以承受幾種應用場合中產生的機械負載條件，但這種材料無法抵抗裂紋擴展，因此以脆性和災難性方式破裂。因此，結合強度，韌性和透明性的材料具有高度的實用和技術意義。

【成果簡介】

蘇黎世聯邦理工學院Florian Bouville和Andre R. Studart開發了一種制造方法，該方法能夠在由受折射率匹配的聚合物基質滲透的玻璃片組成的生物啟發型復合物中形成珍珠質狀礦物橋。通過改變在壓制玻璃薄片期間施加的壓力，可以容易地制造具有可調節水平的礦物橋和薄片互連性的復合材料。通過進行最先進的斷裂實驗與原位電子顯微鏡相結合，研究了血小板互連性對受生物啟發的復合材料的機械強度和斷裂行為的影響。結果表明，血小板之間互連的形成導致塊狀透明材料具有前所未有的強度和斷裂韌性組合。這組不尋常的屬性可以潛在地滿足電子顯示器和相關技術當前未滿足的需求。該成果以題為“Transparent Nacre-like Composites Toughened through Mineral Bridges”發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.透明珍珠質復合材料的制備和微觀結構特征

a）描繪透明珍珠質復合材料制造步驟的圖表

b）壓實過程中薄片相對密度的變化與施加壓力的關系

c）直方圖顯示了在5 MPa和110 MPa壓實的樣品中簇尺寸的分布

d）（右下）在40 MPa壓實的樣品的掃描電子顯微照片。（左上）SEM圖像上簇的顏色編碼空間分布的疊加

e）在不同壓實壓力下制備的樣品中觀察到的團簇大小的相對頻率

f）最終樣品的相對互連性是5到110 MPa范圍內壓應力的函數

圖2.透明珍珠質復合材料的彎曲力學性能和抗裂紋擴展性

a）在不同壓實壓力下制備的透明珍珠質復合材料試樣的撓曲應力是撓曲應變的函數

b）通過具有不同相對互連性的復合材料的單邊切口彎曲（SENB）實驗獲得的力-位移曲線

c）復合材料的抗彎強度（以MPa為單位）和楊氏模量（以GPa為單位）作為相對互連性的函數。

d）經受SENB斷裂實驗的不同珍珠質復合材料的抗裂紋擴展能力（KIJ）與裂紋擴展（Δa）的關系

圖3.透明珍珠質復合材料的斷裂行為

a）掃描電子顯微照片，顯示了楔形劈裂測試（WST）配置下的試樣斷裂

b–d）代表性的SEM照片，分別顯示相對互連度分別為0.43（灰色），0.77（黃色）和1.13（藍色）的試樣在斷裂實驗開始和結束時的曲折路徑

e）由具有不同互連度的復合材料中的撓曲事件引起的裂紋曲折度（τ）。彎曲度值對應于總裂紋長度與沿裂紋方向的每幀尺寸之間的比率

f–h）SEM照片突出顯示了主裂紋擴展過程中多個聚合物橋接位置的存在

i）在SENB試樣中測得的裂紋萌生（KIC）和裂紋擴展KI Jmax（實心符號）的臨界應力強度因子

圖4.透明珍珠質復合材料的光學性質

a）Ashby圖顯示了斷裂韌性與不同類別的透明材料強度之間的關系

b）將0.7毫米厚的樣品放在重新照明的筆記本電腦屏幕上方的照片

c-e）突出顯示與折射率匹配的油的珍珠母狀復合材料的透光性的照片

f）相對互連度為1.13的珍珠母狀復合材料的總漫透射率（實線藍線）與以前報告的礦物橋密度低的珍珠母狀樣品的透射率數據相比（灰色線，灰色陰影區域）

g）平均線掃描顯示在沒有任何樣品（粉紅色符號），拋光后的樣品（橙色符號）以及沒有與折射率匹配的浸沒油耦合的樣品的情況下，圖案從清晰的白到黑過渡的像素亮度（綠色符號）

h–j）用于測量從白色到黑色過渡的像素亮度的區域圖像，這些圖案用于沒有任何樣品，經過拋光的樣品以及帶有與折射率匹配油光學耦合的樣品的圖案

【總結】

結合高韌性，強度和光學透明性的塊狀復合材料可以通過創建一種珍珠質風格的結構來制造，該結構包括相互連接的玻璃薄片，這些薄片滲透有折射率匹配的聚合物基質。互連的增強相是通過一系列簡單的處理步驟獲得的，這些步驟涉及真空過濾，單軸壓制和燒結方案。可以通過改變單軸壓縮過程中施加的壓力來調整血小板的互連性。在燒結過程中，在壓制的薄片之間的接觸點上會產生牢固的互連。互連性的增加顯著增強了透明珍珠質復合材料的機械強度和初始斷裂韌性。除了這種增強作用，復合材料還顯示出對裂紋增長的抵抗力。復合材料的增加的抗裂紋擴展性可能是由于在主裂紋之后形成的聚合物橋而引起的，并且似乎與片層的互連性無關。具有高度相互連接的片層的類似珍珠質的復合材料比礦物橋密度低的同類材料強兩倍，韌性高20％。在不損害復合材料的光學透明性的情況下實現了這種機械改進。在復合材料覆蓋的復古照明圖案中觀察到的鮮明對比表明，這種材料具有強大的潛力，可以替代最新的脆性顯示器。

文獻鏈接：Transparent Nacre-like Composites Toughened through Mineral Bridges. Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202002149.

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

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