科技日報記者 吳長鋒
記者3日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士課題組茅瓅波副研究員等從生物礦物的殘余應(yīng)力增強機制中獲得啟發(fā)，提出一種新的仿生增韌方法，可顯著提升仿珍珠母陶瓷的韌性，韌性放大系數(shù)達16.1±1.1，優(yōu)于最先進的仿生陶瓷。相關(guān)成果日前發(fā)表于《先進材料》，對于先進陶瓷材料設(shè)計和制造具有重要指導(dǎo)意義。
陶瓷具有硬度大、強度高和模量高等優(yōu)異特性，廣泛用于能源、醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域，然而其脆性限制了服役環(huán)境和使用壽命。受天然珍珠母“磚-泥”結(jié)構(gòu)啟發(fā)，仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷韌性得到極大提升，但僅能達到原料陶瓷的10倍，天然珍珠母的韌性提升卻可以高達40倍。對于很多仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷來說，其韌性放大效率不足的一個重要原因在于設(shè)計和制備多級結(jié)構(gòu)時，基元片強度相對于長徑比來說太低，導(dǎo)致裂紋在材料中擴展時基元片會直接斷裂。
俞書宏院士課題組利用過去發(fā)展的框架誘導(dǎo)礦化生長的方法，首次實現(xiàn)將納米四氧化三鐵顆粒與碳酸氫鈣前驅(qū)體溶液在幾丁質(zhì)模板上共礦化，使納米顆粒原位長入文石基元片中。利用同步輻射衍射技術(shù)，分析了文石片層中殘余應(yīng)力的類型及其作用機制。結(jié)果表明，四氧化三鐵納米顆粒承擔(dān)拉應(yīng)力，由于其尺寸小對缺陷不敏感，拉應(yīng)力對其強度削弱影響不大；文石顆粒承擔(dān)壓應(yīng)力，使得文石片發(fā)生破壞時需要額外的外部拉力來平衡壓應(yīng)力，因此基元片的總拉伸強度得以提升。實驗證實，基元片強度的提升有利于基元片滑移與裂紋偏轉(zhuǎn)，有效提高了外部增韌機制的耗能作用。由于納米顆粒誘發(fā)的殘余應(yīng)力對裂紋有閉合作用，材料的本體韌性也得到提升。結(jié)合珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，通過納米尺度殘余應(yīng)力的設(shè)計，顯著提升了仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性放大因子。同時，材料的動態(tài)力學(xué)性能也有相應(yīng)提升。
中國科大供圖
審稿人認為，“這是對仿生結(jié)構(gòu)材料的一個顯著貢獻，并將吸引廣泛的興趣。”茅瓅波表示，這一新方法具有普適性，對于類似仿珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的先進陶瓷材料設(shè)計和制造具有重要指導(dǎo)意義。
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