俞书宏院士课题组提出仿生结构陶瓷增韧的新策略

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陶瓷具有硬度大、强度高和模量高等优异特性，被广泛用于能源、医疗、航天航空等领域，然而其本征脆性却限制了其服役环境和使用寿命。受天然珍珠母“砖-泥”多级结构设计策略启发，人工结构陶瓷断裂韧性得到了极大的提升。目前，已经发展出多种制备仿珍珠母结构的陶瓷块材技术，例如逐层叠加、磁场辅助组装、冷冻铸造、共挤出以及预制框架诱导矿化生长法等。然而，仿珍珠母结构陶瓷的韧性提升仅能达到原料陶瓷的10倍（大多数≤5），而天然珍珠母的韧性提升却高达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是在设计和制备多级结构时，基元片的强度相对于长径比来说太低，导致裂纹在材料中扩展时基元片会直接断裂，极大的抑制了基元片的滑移耗能机制。因此，在不改变陶瓷种类的前提下进一步提升这类仿珍珠母陶瓷块材的增韧效果，就需要考虑从基元的微纳尺度结构特征出发，引入新的提高基元片强度的机制。
        近期，中国科大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（16.1 ± 1.1）。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，中国科大博士生孟玉峰和工程学院朱银波副教授为共同第一作者。

图1. 仿珍珠母结构陶瓷实物图和结构示意图以及残余应力与韧性分析。a-c. 实物图以及合成示意图；d. 通过HRXRD数据定量计算得到的添加不同含量纳米颗粒材料内文石基元的压缩情况；e. 通过HRTEM分析得到的四氧化三铁相应的晶格拉伸情况；f. 压汞实验测得的片滑移抽出后留下的孔体积与片强度关系图；g. 增韧放大效果与陶瓷含量的Ashby图。

        研究人员利用他们以往发展的框架诱导矿化生长的方法（Science 2016, 354, 107），首次实现了将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共矿化，使纳米颗粒原位生长入文石基元片中（图1a-c）。利用同步辐射衍射技术，分析了文石片层中残余应力的类型及其作用机制。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（图1d,e），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。结合实验与有限元分析，证实了基元片强度的提升有利于基元片滑移与裂纹偏转，有效的提高了外部增韧机制的耗能作用（图1f）。此外，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了提升。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，显著的提升了仿珍珠母结构陶瓷的韧性放大因子（图1g）。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-残余应力增强机制具有普适性，可有效提升层状基元片层强度，对于今后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。
        这项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。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108267


        


       文章来源：中科大
       俞书宏，安徽庐江人，1967年8月生。中国科学技术大学教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”长江特聘教授（2006年-）、国家杰出青年基金获得者（2003年-）、中国科学院“引进国外杰出人才”（2002年）、中央七部委“新世纪百千万人才工程”国家级人选（2006-）、国家重大科学研究计划项目首席科学家（2010-）。 1988年7月获合肥工业大学无机专业学士学位，1991年5月获上海化学工业研究院硕士学位, 1998年10月获中国科学技术大学化学系无机化学专业博士学位，1999年-2001年获在日本东京工业大学材料与结构实验室从事博士后研究，2001年?2002年获德国洪堡基金会(AvH)资助(任洪堡外国科学家研究员)，在德国马普学会胶体与界面研究所工作。2002年入选中国科学院“引进国外杰出人才”，在中国科学技术大学任教，博士生导师。现任中国科学技术大学化学系教授，合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）责任研究员，国家同步辐射实验室首批特聘研究员，上海交通大学客座教授，合肥工业大学兼职教授。
       茅瓅波，男，汉族，安徽省望江县人，理学博士，中国科学院优秀博士学位论文获得者。现为中国科学技术大学先进技术研究院副研究员，硕士研究生导师。