仿生陶瓷再增韌性不斷從大自然中得到啟發(fā)

2022-03-17 16:53:23化工儀器網(wǎng)閱讀量：1718      我要評(píng)論

導(dǎo)讀：多數(shù)陶瓷的密度是金屬密度的50%，因此由陶瓷制作而成的零部件不但自身的質(zhì)量小，并且還可以減少驅(qū)動(dòng)一些運(yùn)動(dòng)件所需的能量，有利于加快響應(yīng)速度，從而減小振動(dòng)。

　　在眾多材料中，陶瓷材料具有著許多金屬材料及高分子材料都難以比擬的優(yōu)良特性，具有低密度、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。多數(shù)陶瓷的密度是金屬密度的50%，因此由陶瓷制作而成的零部件不但自身的質(zhì)量小，并且還可以減少驅(qū)動(dòng)一些運(yùn)動(dòng)件所需的能量，有利于加快響應(yīng)速度，從而減小振動(dòng)。由于其優(yōu)異的特性，陶瓷材料被廣泛用于能源、醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域，甚至是分析儀器的配件耗材中也有它的存在。但是陶瓷材料的本征脆性卻限制了其服役環(huán)境和使用壽命。

　　而科學(xué)家們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)，貝殼其特殊的結(jié)構(gòu)賦予其具有很高的強(qiáng)度和韌性。珍珠母主要由一層層碳酸鈣構(gòu)成，層間是幾丁質(zhì)之類(lèi)的二元共聚物，其硬度和韌性比高級(jí)陶瓷的數(shù)量級(jí)要高得多。若是開(kāi)展對(duì)貝殼等生物材料的微結(jié)構(gòu)及其性能的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)研究，那么這種人工合成具有貝殼特性的高性能材料極可能被廣泛應(yīng)用，甚至能夠用于增強(qiáng)軍方裝甲的抗擊船能力。如果能完全仿照珍珠母的微結(jié)構(gòu)，從理論上說(shuō)，裝甲性能還可以再提高上百倍。

　　早在2009年就有科學(xué)家以氧化鋁替代碳酸鈣，在冰點(diǎn)溫度下小心控制氧化鋁的生長(zhǎng)，層間填充的二元共聚物則以聚甲基丙烯酸甲酯，最后得到了一種抗裂強(qiáng)度高于氧化鋁300倍的堅(jiān)硬陶瓷。這種珍珠層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷復(fù)合材料，在應(yīng)力場(chǎng)中表現(xiàn)為大量能量的吸收及釋放，以此來(lái)解決陶瓷在工程中無(wú)法預(yù)測(cè)的突然斷裂的問(wèn)題。并且制備缺陷在珍珠層狀材料中受影響較小，能夠有效地抵消材料在制備過(guò)程中無(wú)法避免的一些缺陷，從而大大提高其力學(xué)性能特性，使得材料能夠在超過(guò)其本身強(qiáng)度的同時(shí)，韌性提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　盡管仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性得到了極大提升，但也僅僅是能達(dá)到原料陶瓷的10倍，天然珍珠母的韌性提升卻可高達(dá)40倍。對(duì)于很多仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷來(lái)說(shuō)，其韌性放大效率不足的一個(gè)重要原因，在于設(shè)計(jì)和制備多級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，基元片強(qiáng)度相對(duì)于長(zhǎng)徑比來(lái)說(shuō)太低，裂紋在材料中擴(kuò)展時(shí)會(huì)導(dǎo)致基元片直接斷裂。

　　為了解決這樣的問(wèn)題，近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)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(qiáng)機(jī)制中獲得啟發(fā)，提出一種新的仿生增韌方法，他們利用框架誘導(dǎo)礦化生長(zhǎng)的方法，首次實(shí)現(xiàn)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)模板上的共礦化，使納米顆粒在文石基元片中原位生長(zhǎng)。

　　研究者們利用同步輻射衍射技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析結(jié)果表明，四氧化三鐵納米顆粒承擔(dān)拉應(yīng)力，文石顆粒承擔(dān)壓應(yīng)力，基元片的總拉伸強(qiáng)度得以提升。而基元片強(qiáng)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(jī)制的耗能作用。由于納米顆粒誘發(fā)的殘余應(yīng)力對(duì)裂紋有閉合作用，材料的本體韌性也得到提升。再結(jié)合珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)納米尺度殘余應(yīng)力的設(shè)計(jì)，仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性放大因子得到顯著提升。這種方法能夠顯著提升仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性，并且韌性放大系數(shù)要優(yōu)于前沿的仿生陶瓷。

　　自古以來(lái)，自然界就是人類(lèi)各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。就像仿生陶瓷，人們從貝殼開(kāi)始研究，分析其組成、研究其結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)模仿它的組成和結(jié)構(gòu)制備出我們所期望的材料，然后再將其應(yīng)用與我們的生活。這些生物早在人類(lèi)出現(xiàn)之前就已經(jīng)存活了億萬(wàn)年，在它們?yōu)樯娑窢?zhēng)的長(zhǎng)期進(jìn)化中，獲得了與大自然相適應(yīng)的能力，包括體內(nèi)的生物合成、能量轉(zhuǎn)換、信息的接收和傳遞、對(duì)外界的識(shí)別、導(dǎo)航、定向計(jì)算以及綜合等，都顯示出了許多機(jī)器所不能比擬的優(yōu)越之處。當(dāng)我們不斷去了解自然、挖掘自然，對(duì)自然永遠(yuǎn)保持一顆好奇心，那么必然會(huì)不斷地從自然中學(xué)習(xí)到更多能夠運(yùn)用在我們?nèi)粘Ｉ畹闹R(shí)。同樣，我們的分析儀器也會(huì)在新技術(shù)的不斷發(fā)現(xiàn)、研究、運(yùn)用中變得更為精湛。

　　(資料來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)、知網(wǎng))

　　(原標(biāo)題：仿生陶瓷再增韌性不斷從大自然中得到啟發(fā))

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