俞書宏院士團隊AM：具有局部可調異質結構的仿生陶瓷樹脂復合材料的可擴展制造

俞書宏院士團隊AM：具有局部可調異質結構的仿生陶瓷樹脂復合材料的可擴展制造

LWB

一、【導讀】

結構材料的快速發展在許多領域面臨越來越高的要求，通常需要這些材料具有低密度、高強度、剛度、硬度和韌性等多種理想性能。但不幸的是，這些特性通常是相互排斥的，很難集成到一種材料中。具有代表性的陶瓷材料因其高強度、剛度和高環境穩定性而被廣泛用作工程結構材料，但由于其抗損傷韌性低而導致其應用范圍受到極大的限制。而生物結構材料，如貝殼、骨、牙、竹等，則可以通過多尺度的異質結構設計，將不同性質結合在一起。

在過去的幾十年里，仿生結構材料的制造取得了巨大的進展，特別是仿珍珠母陶瓷-樹脂復合材料。但遺憾的是，大多數先進的仿生結構材料仍然難以實現多種理想性能的完美整合，主要的限制被認為是缺乏有效的組裝手段和制備工藝來實現復雜的多層級結構控制。近年來，受生物材料中異質結構設計原理的啟發，研究人員嘗試構建多層級異質結構，旨在追求具有協同增強多性能的復合材料。然而，精細結構構建和宏量制造之間的沖突仍然是許多異質仿生材料的主要障礙。

二、【成果掠影】

在此，中國科學技術大學高懷嶺教授、俞書宏院士團隊通過一種簡單且可宏量化的自下而上的組裝方法制備了具有異質結構的仿生陶瓷-樹脂復合材料，實現了多種所需但互斥的力學性能的集合。研究人員通過將連續納米纖維輔助蒸發誘導自組裝工藝與層壓、無壓燒結和樹脂滲透工藝相結合，設計制備了具有局部微觀結構和性能可調以及宏觀幾何結構可塑的異質仿珍珠母陶瓷-樹脂復合材料。類似于軟體動物的外殼，這種仿生材料被設計成堅韌的珍珠母狀主體和堅硬的外表面，它們通過梯度漸變層連接起來，以緩解異質層之間性能不匹配的問題。結果表明，優化后的異質珍珠母狀復合材料具有低密度(≈2.8 g cm^?3)、高強度(≈292 MPa)、高韌性(≈6.4 MPa m^1/2)、高表面硬度(≈1144 kgf mm^?2)和優異的抗沖擊性能，其綜合機械性能優于工程氧化鋁陶瓷。這些優點為復雜情況下的實際應用提供了一種有前途的結構材料。

相關研究成果以“Scalable Manufacturing of Mechanical Robust Bioinspired Ceramic–Resin Composites with Locally Tunable Heterogeneous Structures”為題發表在國際頂級期刊ADVANCED MATERIALS上。

三、【核心創新點】

1、該研究通過一種簡單的自下而上的方法，大規模制備了具有可調異構結構的仿生陶瓷-樹脂復合材料，并將多種工程所需但相互排斥的機械性能集于一身。

2、最優條件下的異質珍珠狀復合材料具有低密度(≈2.8 g cm^?3)、高強度(≈292 MPa)、高韌性(≈6.4 MPa m^1/2)、高表面硬度(≈1144 kgf mm^?2)和優異的抗沖擊性能，優于工程氧化鋁陶瓷。從而誕生了一種有前途的工程結構材料。

四、【數據概覽】

圖1 珍珠層狀復合材料的大規模制造。a）珍珠層狀陶瓷-樹脂復合材料的大規模制造過程示意圖。b）示意圖顯示了通過納米纖維輔助蒸發誘導的自組裝方法連續制備珍珠層狀復合膜。c、d）通過（b）中所示的連續纖維輔助蒸發誘導自組裝方法制備的大規模珍珠層狀復合膜的數字照片（c）和截面SEM圖像（d）。e）SEM圖像顯示了珍珠層狀陶瓷-樹脂復合材料的橫截面。黃色箭頭突出顯示了排列在聚合物基質中的氧化鋁微板的邊界。插入物顯示了聚合物滲透前珍珠層狀陶瓷支架的小角度X射線散射圖像。f）數碼照片顯示了一個大尺寸的珍珠層狀陶瓷-樹脂復合材料和一個拱形的模制珍珠層狀瓷樹脂復合材料（插入）；? 2023 Wiley-VCH GmbH.

圖2 異構設計和特性。a–c）異質珍珠層狀陶瓷支架不同部分的開孔率（a）、熱膨脹系數（b）和模量（c）的梯度變化。d） SEM圖像顯示了具有梯度夾層的異質珍珠層狀陶瓷支架的橫截面，以及不同分的放大圖像。e）SEM圖像顯示了彎曲失效后沒有梯度界面的異質珍珠層狀陶瓷的橫截面。白色箭頭表示裂紋萌生方向。f）具有和不具有梯度夾層的異質珍珠層狀陶瓷支架的抗彎強度。g）沿從完全致密的陶瓷表面到復合材料主體的方向，具有和不具有梯度夾層的非均質珍珠層狀陶瓷-樹脂復合材料橫截面的維氏硬度；? 2023 Wiley-VCH GmbH.

圖3 準靜態力學性能研究。a）均質珍珠狀陶瓷樹脂框架和復合材料、異質珍珠狀陶瓷樹脂框架和復合材料的典型應力-應變曲線。b）均質框架與均質復合材料、異質框架與異質復合材料抗彎強度的比較。c）氧化鋁、Homo復合材料和Hetero復合材料的裂紋起裂韌性(K_IC)和穩定裂紋擴展韌性(K_JC)的比較。d）非均質復合材料斷口形貌的SEM圖像。e）非均質復合材料裂紋擴展的x射線斷層掃描圖像。1~3片平行于裂紋擴展方向。f）維氏硬度測試后均質復合材料和非均質復合材料上壓痕的光學顯微鏡圖像。g）Homo復合材料和Hetero復合材料微劃痕試驗后維氏硬度和穿透寬度的比較。h）光學顯微鏡圖像顯示了均質復合材料和異質復合材料上的微劃痕。i）比較氧化鋁、均質復合材料和異質復合材料性能的對比雷達圖；? 2023 Wiley-VCH GmbH.

圖4 動態沖擊力學性能研究。a）顯示落錘沖擊試驗設置的示意圖。b）氧化鋁、均質珍珠狀陶瓷-樹脂復合材料和非均質珍珠狀陶瓷-樹脂復合材料落錘沖擊峰值力的比較。c）氧化鋁、均質復合材料和異質復合材料在落錘沖擊試驗中吸收總能量的比較。d）顯示非均勻復合材料彈道沖擊過程的高速攝像機快照。e-g）氧化鋁、均質復合材料和異質復合材料典型試樣在彈道沖擊試驗后的x射線斷層掃描圖像。h-j）光學顯微鏡圖像顯示了典型的氧化鋁彈丸在撞擊氧化鋁、均質復合材料和異質復合材料后具有不同的塑性變形區域；? 2023 Wiley-VCH GmbH.

五、【成果啟示】

總之，該研究通過提出了一種簡單的自下而上的方法，大規模制備了具有可調異構結構的仿生陶瓷-樹脂復合材料。陶瓷-樹脂復合材料的主體是堅硬堅韌的珍珠狀，外表面是堅硬的。在這兩部分之間引入梯度夾層，使相鄰的異質層之間逐漸過渡，有效地緩解了它們的性能不匹配缺點。這種異質結構實現了高度期望但具有挑戰性的任務，即將多種相互排斥的機械性能集成到單一材料中。得到的異質珍珠狀陶瓷樹脂復合材料在準靜態和動態力學性能方面均優于工程氧化鋁。此外，由于可擴展性和材料無關的特點，這項工作中提出的方法不僅有望設計和制造結構材料，而且有望在工業規模上為各種工程應用設計和制造功能先進的功能材料。

原文詳情：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。