?

陶瓷具有硬度大、強(qiáng)度高和模量高等優(yōu)異特性，被廣泛用于能源、醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域，然而其本征脆性卻限制了其服役環(huán)境和使用壽命。受天然珍珠母“磚-泥”多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略啟發(fā)，人工結(jié)構(gòu)陶瓷斷裂韌性得到了極大的提升。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種制備仿珍珠母結(jié)構(gòu)的陶瓷塊材技術(shù)，例如逐層疊加、磁場(chǎng)輔助組裝、冷凍鑄造、共擠出以及預(yù)制框架誘導(dǎo)礦化生長(zhǎng)法等。然而，仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性提升僅能達(dá)到原料陶瓷的10倍（大多數(shù)≤5），而天然珍珠母的韌性提升卻高達(dá)40倍。對(duì)于很多仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷來說，其韌性放大效率不足的一個(gè)重要原因是在設(shè)計(jì)和制備多級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，基元片的強(qiáng)度相對(duì)于長(zhǎng)徑比來說太低，導(dǎo)致裂紋在材料中擴(kuò)展時(shí)基元片會(huì)直接斷裂，極大的抑制了基元片的滑移耗能機(jī)制。因此，在不改變陶瓷種類的前提下進(jìn)一步提升這類仿珍珠母陶瓷塊材的增韌效果，就需要考慮從基元的微納尺度結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，引入新的提高基元片強(qiáng)度的機(jī)制。

近期，中國(guó)科大俞書宏院士課題組茅瓅波副研究員等從生物礦物的殘余應(yīng)力增強(qiáng)機(jī)制中獲得啟發(fā)，提出了一種新的仿生增韌路徑，并運(yùn)用于人工珍珠母的礦化生長(zhǎng)，顯著提升了仿珍珠母陶瓷塊材的韌性放大效率（16.1 ± 1.1）。相關(guān)研究成果以“Artificial Nacre with High Toughness Amplification Factor: Residual Stress-Engineering Sparks Enhanced Extrinsic Toughening Mechanisms”為題發(fā)表在Adv. Mater.上，中國(guó)科大博士生孟玉峰和工程學(xué)院朱銀波副教授為共同第一作者。

圖1.仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖以及殘余應(yīng)力與韌性分析。a-c.實(shí)物圖以及合成示意圖；d.通過HRXRD數(shù)據(jù)定量計(jì)算得到的添加不同含量納米顆粒材料內(nèi)文石基元的壓縮情況；e.通過HRTEM分析得到的四氧化三鐵相應(yīng)的晶格拉伸情況；f.壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)得的片滑移抽出后留下的孔體積與片強(qiáng)度關(guān)系圖；g.增韌放大效果與陶瓷含量的Ashby圖。

研究人員利用他們以往發(fā)展的框架誘導(dǎo)礦化生長(zhǎng)的方法（Science 2016, 354, 107），首次實(shí)現(xiàn)了將納米四氧化三鐵顆粒與碳酸氫鈣前驅(qū)體溶液在幾丁質(zhì)模板上共礦化，使納米顆粒原位生長(zhǎng)入文石基元片中（圖1a-c）。利用同步輻射衍射技術(shù)，分析了文石片層中殘余應(yīng)力的類型及其作用機(jī)制。結(jié)果表明四納米顆粒承擔(dān)拉應(yīng)力，由于其尺寸?。{米級(jí)）對(duì)缺陷不敏感，因此拉應(yīng)力對(duì)其強(qiáng)度削弱影響不大；文石顆粒承擔(dān)壓應(yīng)力（圖1d,e），使得文石片發(fā)生破壞時(shí)需要額外的外部拉力來平衡壓應(yīng)力，因此基元片的總拉伸強(qiáng)度得以提升。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與有限元分析，證實(shí)了基元片強(qiáng)度的提升有利于基元片滑移與裂紋偏轉(zhuǎn)，有效的提高了外部增韌機(jī)制的耗能作用（圖1f）。此外，由于納米顆粒誘發(fā)的殘余應(yīng)力對(duì)裂紋有閉合作用，材料的本體韌性也得到了提升。因此，結(jié)合珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過納米尺度殘余應(yīng)力的設(shè)計(jì)，顯著的提升了仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性放大因子（圖1g）。同時(shí)，材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也有相應(yīng)提升。

這一新的仿生增韌策略-殘余應(yīng)力增強(qiáng)機(jī)制具有普適性，可有效提升層狀基元片層強(qiáng)度，對(duì)于今后類似仿珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)陶瓷材料的設(shè)計(jì)和制造具有指導(dǎo)意義。

這項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108267

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）