記者3月12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結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性，韌性放大系數(shù)優(yōu)于最先進的仿生陶瓷。發(fā)表于《先進材料》上的這一最新研究成果，對于先進陶瓷材料的設(shè)計和制造具有重要的指導(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，然而脆性限制了它的服役環(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(dá)到原料陶瓷的10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，裂紋在材料中擴展時會導(dǎo)致基元片直接斷裂。
俞書宏院士課題組利用框架誘導(dǎo)礦化生長的方法，首次實現(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。用同步輻射衍射技術(shù)對其進行分析結(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，基元片的總拉伸強度得以提升。而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，仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性放大因子得到顯著提升。(記者吳長鋒)
