在珍珠母貝的孕育下，大自然用百萬年時間創(chuàng)造了堪稱完美的生物陶瓷——珍珠質(zhì)。這種天然復(fù)合材料由脆性文石晶體（＞95%）與柔性有機物（＜5%）組成，通過獨特的"磚泥結(jié)構(gòu)"構(gòu)建出令人驚嘆的力學(xué)性能：其斷裂韌性可達純碳酸鈣的3000倍，抗沖擊能力更是比基礎(chǔ)材料高出兩個數(shù)量級。材料科學(xué)家正從這種精妙的生物結(jié)構(gòu)中汲取靈感。通過3D打印、冰模板法、自組裝等前沿技術(shù)，使用已有片狀或者顆粒狀基元，研究人員已成功仿制出仿珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。實驗數(shù)據(jù)顯示，這類仿生材料的抗壓強度可達傳統(tǒng)復(fù)合材料的5-8倍，能量吸收效率提升近10倍，在航空航天、防彈裝甲等領(lǐng)域展現(xiàn)出革命性應(yīng)用潛力。然而，受限于目前的制備工藝、材料尺寸、材料形狀等多方面的因素，面向應(yīng)用的高性能仿珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的研發(fā)仍存在迫切需求。

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士、茅瓅波教授團隊提出了一種可大規(guī)模生產(chǎn)各種尺寸，不同形狀的仿珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的制備工藝，制備了一種兼具高抗彎強度和高斷裂韌性的仿珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。

1 材料合成

首先使用一步乳液法制備了氧化鋁微球，并在微球表面沉積了一層鎳鹽構(gòu)成的球殼。通過將復(fù)合微球在不同形狀的模具中組裝得到陶瓷胚體。在胚體被熱壓燒結(jié)的過程中，材料中的孔隙被壓實，同時微球被壓扁成片狀，這些片狀陶瓷被表面的鎳分隔，構(gòu)成了仿珍珠質(zhì)的磚-泥結(jié)構(gòu)。由于仿珍珠質(zhì)材料由復(fù)合微球組裝而成，可以通過簡單的調(diào)節(jié)微球粒徑來實現(xiàn)材料的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控。

圖1 復(fù)合材料的制備流程

2 微觀結(jié)構(gòu)

仿珍珠質(zhì)氧化鋁陶瓷-金屬鎳復(fù)合材料展現(xiàn)出了多尺度的微結(jié)構(gòu)，片狀的氧化鋁陶瓷由金屬鎳層分隔開，構(gòu)成了典型的磚-泥結(jié)構(gòu)。在更小的尺度上，片狀陶瓷內(nèi)部可以觀察到微小的鎳顆粒，這些鎳顆粒在陶瓷致密化之前滲入其中，使陶瓷微片的韌性進一步提升。在納米尺度上，氧化鋁陶瓷-金屬鎳的界面接觸良好。

圖2 仿珍珠質(zhì)復(fù)合材料的多尺度結(jié)構(gòu)表征

3 力學(xué)性能

材料多尺度的微結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的力學(xué)性能，氧化鋁-金屬鎳復(fù)合材料兼具高抗彎強度（室溫下為 386 MPa，600°C 時286.86 MPa）和高斷裂韌性（室溫12.76 MPa·m1/2，600 °C 時12.99 MPa·m 1/2）。在材料受力斷裂，裂紋沿著陶瓷-金屬界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極大的耗散了能量，有效的阻止了災(zāi)難性失效發(fā)生。

圖3 復(fù)合材料的力學(xué)性能表征

4 結(jié)論

研究者提出了一種基于可變形陶瓷微球壓力組裝的仿珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制備方案，成功制備了兼具高強度、高韌性的仿珍珠質(zhì)陶瓷金屬復(fù)合材料。這種制備方案無需復(fù)雜工藝，可大規(guī)模生產(chǎn)各種尺寸，不同形狀的仿珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，為面向?qū)嵱没姆律牧显O(shè)計與制備提供了新的借鑒和啟發(fā)。

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