仿生陶瓷再增韧性 不断从大自然中得到启发
在众多材料中，陶瓷材料具有着许多金属材料及高分子材料都无法比拟的优良特性，具有低密度、高强度的优点。多数陶瓷的密度是金属密度的50%，因此由陶瓷制作而成的零部件不但自身的质量小，并且还可以减少驱动一些运动件所需的能量，有利于加快响应速度，从而减小振动。由于其优异的特性，陶瓷材料被广泛用于能源、医疗、航天航空等领域，甚至是分析仪器的配件耗材中也有它的存在。但是陶瓷材料的本征脆性却限制了其服役环境和使用寿命。
而科学家们早已发现，贝壳其特殊的结构赋予其具有很高的强度和韧性。珍珠母主要由一层层碳酸钙构成，层间是几丁质之类的二元共聚物，其硬度和韧性比高级陶瓷的数量级要高得多。若是开展对贝壳等生物材料的微结构及其性能的结构仿生设计研究，那么这种人工合成具有贝壳特性的高性能材料极可能被广泛应用，甚至能够用于增强军方装甲的抗击船能力。如果能完全仿照珍珠母的微结构，从理论上说，装甲性能还可以再提高上百倍。
早在2009年就有科学家以氧化铝替代碳酸钙，在冰点温度下小心控制氧化铝的生长，层间填充的二元共聚物则以聚甲基丙烯酸甲酯，最后得到了一种抗裂强度高于氧化铝300倍的坚硬陶瓷。这种珍珠层状结构的陶瓷复合材料，在应力场中表现为大量能量的吸收及释放，以此来解决陶瓷在工程中无法预测的突然断裂的问题。并且制备缺陷在珍珠层状材料中受影响较小，能够有效地抵消材料在制备过程中无法避免的一些缺陷，从而大大提高其力学性能特性，使得材料能够在超过其本身强度的同时，韧性提高几个数量级。
尽管仿珍珠母结构陶瓷的韧性得到了极大提升，但也仅仅是能达到原料陶瓷的10倍，天然珍珠母的韧性提升却可高达40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。
为了解决这样的问题，近日，中国科学技术大学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，他们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。
研究者们利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。再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。这种方法能够显著提升仿珍珠母结构陶瓷的韧性，并且韧性放大系数要优于最先进的仿生陶瓷。
自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。就像仿生陶瓷，人们从贝壳开始研究，分析其组成、研究其结构，最后通过模仿它的组成和结构制备出我们所期望的材料，然后再将其应用与我们的生活。这些生物早在人类出现之前就已经存活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力，包括体内的生物合成、能量转换、信息的接收和传递、对外界的识别、导航、定向计算以及综合等，都显示出了许多机器所不能比拟的优越之处。当我们不断去了解自然、挖掘自然，对自然永远保持一颗好奇心，那么必然会不断地从自然中学习到更多能够运用在我们日常生活的知识。同样，我们的分析仪器也会在新技术的不断发现、研究、运用中变得更为精湛。
(资料来源：科技日报、知网)
