中国科大提出仿生结构陶瓷增韧新策略

陶瓷具有硬度大、模量高等优异特性，被广泛用于航天航空、能源、医疗等领域，然而其本征脆性却限制了其服役环境和使用寿命。

近日，中国科大俞书宏院士课题组提出了一种新的仿生增韧路径，并运用于人工珍珠母的矿化生长，显著提升了仿珍珠母陶瓷块材的韧性放大效率。相关研究成果以Artificial nacre with high toughness amplification factor:Residual stress-engineering sparks enhanced extrinsic toughening mechanisms为题发表在Adv.Mater.上。

研究人员首次实现了将纳米Fe3O4颗粒与Ca(HCO3)2前驱体溶液在几丁质模板上共矿化，使纳米颗粒原位生长入文石基元片中。结果表明，四纳米颗粒承担拉应力，由于其尺寸小（纳米级），对缺陷不敏感，因此拉应力对其强度削弱影响不大；文石颗粒承担压应力，使得文石片发生破坏时需要额外的外部拉力来平衡压应力，因此基元片的总拉伸强度得以提升。结合试验与有限元分析，证实了基元片强度的提升有利于基元片滑移与裂纹偏转，有效地提高了外部增韧机制的耗能作用。因此，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，显著提升了仿珍珠母结构陶瓷的韧性放大因子。同时，材料的动态力学性能也有相应提升。

这一新的仿生增韧策略-残余应力增强机制可有效提升层状基元片层强度，对于类似仿珍珠母层状结构的先进陶瓷材料的设计和制造具有指导意义。研究受到国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划等项目的资助。