材料新突破！可变形微球打造仿珍珠质陶瓷-金属复合材料

在珍珠母贝的孕育下，大自然用百万年时间创造了堪称完美的生物陶瓷——珍珠质。这种天然复合材料由脆性文石晶体（＞95%）与柔性有机物（＜5%）组成，通过独特的"砖泥结构"构建出令(lìng)人惊叹的力学性能：其断裂韧性可达纯碳酸钙的3000倍，抗冲击能力更是比基础材料高出两个数量级。材料科学家正从这种精妙的生物(wù)结(jié)构(gòu)中(zhōng)汲(jí)取(qǔ)灵(líng)感(gǎn)。通(tōng)过(guò)3D打(dǎ)印、冰模板法、自组装等前沿技术，使用已有片状或者颗粒状基元，研究人员已成功仿制出仿珍珠质结构材料。实验数据显示，这类仿生材料的抗压强度可达传统复合材料的5-8倍，能量吸收效率提升近10倍，在航空航天、防弹装甲等领域展现出革命性应用潜力。然而，受限于目前的制备工艺、材料尺寸、材料形状等多方面的因素，面向应用的高性能仿珍珠质结构的复合材料的研发仍存在迫切需求。

近期，中国科学技术大学俞书宏院士、茅瓅波教授团队提出了一种可大规模生产各种尺寸，不同形状的仿珍珠质结构材料的制备工艺，制备了一种兼具(jù)高(gāo)抗(kàng)弯(wān)强(qiáng)度和高断裂韧性的仿珍珠质结构材料。相关研究成果发表在国际学术期刊《国家科学评论》（National Science Review）。

1 材料合成

首先使用一步乳液法制备了氧化铝微球，并在微球表面沉积了一层镍盐构成的球壳。通过(guò)将(jiāng)复(fù)合(hé)微(wēi)球(qiú)在(zài)不(bù)同(tóng)形(xíng)状(zhuàng)的(de)模(mó)具(jù)中(zhōng)组(zǔ)装(zhuāng)得(de)到(dào)陶(táo)瓷(cí)胚(pēi)体(tǐ)。在(zài)胚(pēi)体(tǐ)被(bèi)热(rè)压(yā)烧(shāo)结(jié)的(de)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，材(cái)料(liào)中(zhōng)的(de)孔(kǒng)隙(xì)被(bèi)压(yā)实(shí)，同(tóng)时(shí)微(wēi)球(qiú)被(bèi)压(yā)扁(biǎn)成(chéng)片(piàn)状(zhuàng)，这(zhè)些(xiē)片(piàn)状(zhuàng)陶(táo)瓷被表面的镍(niè)分(fēn)隔(gé)，构(gòu)成(chéng)了(le)仿(fǎng)珍珠质的砖-泥结构。由于仿珍珠质材料由复合微球组装而成，可以通过简单的调节微球粒径来实现材料的微观结构调控。

图1 复合材料的制备流程

2 微观结构

仿珍珠质氧化铝陶瓷-金属镍复合材料展现出了多尺度的微结构，片状的氧化铝陶瓷由金属镍层分隔开，构成了典型的砖-泥结构。在更小的尺度上，片状陶瓷内部可以观察到微小的镍颗粒，这些镍颗粒在陶瓷致密化之前渗入其中，使陶瓷微片的韧性进一步提升。在纳米尺度上，氧化铝陶瓷-金属镍的界面接触良好。

图2 仿珍珠质复合材料的多尺度结构表征

3 力学性能

材料多尺度的微结构赋予其优异的力学性能，氧化铝-金属镍复合材料兼具高抗弯强度（室温下为 386 MPa，600°C 时286.86 MPa）和高断裂韧性（室温12.76 MPa·m1/2，600 °C 时12.99 MPa·m 1/2）。在材料受力断裂，裂纹沿着陶瓷-金属界面发生偏转，极大的耗散了能量，有效的阻止了灾难性失效发生。

图3 复合材料的力学性能表征

4 结论

研究者提出了一种基于可变形陶瓷微球压力组装的仿珍珠质结构材料制备方案，成功制备了兼具高强度、高韧性的仿珍珠质陶瓷金属复合材料。这种制备方案无需复杂工艺，可大规模生产各种尺寸，不同形状的仿珍珠质结构材料，为面向实用化的仿生材料设计与制备提供了新的借鉴和启发。

了解详情，请阅读原文

Scalable and shapable nacre-like ceramic-metal composites based on deformable microspheres. National Science Review. doi:10.1093/nsr/nwaf006