新方法可增强仿生陶瓷韧性

2022-03-15 19:02:24 科技日报

科技日报讯（记者吴长锋）记者3月12日从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士课题组茅瓅波副研究员等从生物矿物的残余应力增强机制中获得启发，提出一种新的仿生增韧方法，可显著提升仿珍珠母结构陶瓷的韧性，韧性放大系数优于最先进的仿生陶瓷。发表于《先进材料》上的这一最新研究成果，对于先进陶瓷材料的设计和制造具有重要指导意义。

陶瓷具有硬度大、强度高和模量高等优异特性，广泛用于能源、医疗、航天航空等领域，然而脆性限制了它的服役环境和使用寿命。受天然珍珠母“砖—泥”结构启发，仿珍珠母结构陶瓷韧性得到极大提升，但仅能达到原料陶瓷的10倍。对于很多仿珍珠母结构陶瓷来说，其韧性放大效率不足的一个重要原因，在于设计和制备多级结构时，基元片强度相对于长径比来说太低，裂纹在材料中扩展时会导致基元片直接断裂。

俞书宏院士课题组利用框架诱导矿化生长的方法，首次实现纳米四氧化三铁颗粒与碳酸氢钙前驱体溶液在几丁质模板上的共矿化，使纳米颗粒在文石基元片中原位生长。用同步辐射衍射技术对其进行分析结果表明，四氧化三铁纳米颗粒承担拉应力，文石颗粒承担压应力，基元片的总拉伸强度得以提升。而基元片强度的提升有利于基元片滑移与裂纹偏转，有效提高了外部增韧机制的耗能作用。由于纳米颗粒诱发的残余应力对裂纹有闭合作用，材料的本体韧性也得到提升。结合珍珠母层状结构的优点，通过纳米尺度残余应力的设计，仿珍珠母结构陶瓷的韧性放大因子得到显著提升。

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