Advanced Material: 北航仿生智能界面重點實驗室研發出“仿貝殼連鎖骨架”結構復合材料

【 成果簡介】

冷凍鑄造法是制備仿貝殼層狀復合材料最有效的方法。目前，界面嫁接復合材料、超高陶瓷體積分數（98 vol.%）的復合材料以及金屬陶瓷復合材料等制備技術均被用來提高工程復合材料的強度和韌性。然而這些傳統技術都是犧牲材料密度，在質量、強度和韌性之間相互妥協，來提高復合材料強韌性的。因此，要發展新一代的輕質高強韌性復合材料，就必須建立新的材料設計策略。

研究發現，在貝殼的結構中，有機基體之間存在大量的“礦物橋”連接在片層之間。這些“橋梁”的存在是貝殼具有優良的機械性能的關鍵因素。鑒于此，研究人員將貝殼的結構稱為“磚-橋-泥”（BBM）結構，而不是傳統上認為的“磚-泥-磚”（BM）結構。因此，要進一步開發輕質高強韌防貝殼復合材料，就要模仿貝殼的BBM結構。

本文中，研究人員以陶瓷（氧化鋁）和聚合物（氰酸酯）為原料，采用簡單冷凍鑄造的方法，合成具有3D連鎖骨架的陶瓷/聚合物復合材料。下文的圖文導讀對這種復合材料的微觀結構及其優越的機械性能進行了描述。

【圖文導讀】

圖一：防貝殼3D連鎖骨架Al2O3/CE復合材料（3D IL）的微觀結構
?圖一： a、b)分別為含有SCMC（羧甲基醚纖維素鈉）的氧化鋁陶瓷胚體冷凍干燥后的低倍和高倍掃描電鏡圖像。c、d)分別為燒結過程中除掉SCMC后的層狀陶瓷胚體的低倍和高倍掃描電鏡圖。e、f)分別為在3D連鎖層狀氧化鋁陶瓷胚體中浸滲CE（氰酸酯）復合材料的低倍和高倍掃描電鏡圖像。圖f中的插圖為陶瓷橋浸滲在CE中的復合材料的EDS（能譜）圖像，較亮的相為氧化鋁。

圖二：3D連鎖骨架的形成過程

圖二：從左至右分別為SCMC含量為4、5、7、9 wt %的氧化鋁懸浮液所制成的樣品冷凍干燥后的掃描電鏡圖像。 e）圖為陶瓷橋形成過程的示意圖。a）圖為在低SCMC含量的懸浮液得到的有序的層狀結構。隨著SCMC濃度增加，b）圖中形成的突觸的長度約為10μm，c）圖中，SCMC濃度達到7 wt %，開始有陶瓷橋形成。在這種情況下，同時形成突觸和陶瓷橋。d）圖中，SCMC濃度提高到9 wt %，形成了高度有序的陶瓷橋。

圖三：3D復合材料的準靜態和動態力學性能

圖三：a）圖為氧化鋁、CE（氰酸酯）、3D IL和LC（不具備3D連鎖骨架結構的氧化鋁/氰酸脂層狀復合材料）的三點抗彎強度測試中的應力-應變曲線。b）圖為3D IL和經過重復的三點彎曲測試所得的應力應變曲線。可以發現3D IL的強度和韌性都有明顯提高。c）圖3D IL、LC和參考文獻中提到的陶瓷/聚合物復合材料的強度和應變的匯總對比圖。3D IL性能具有明顯的優越性。d）圖為陶瓷/聚合物、陶瓷/金屬、陶瓷/石墨烯、陶瓷/碳納米管和典型聚合物基輕質復合材料的比強度和密度匯總對比。e）圖為3D IL和LC復合材料在104/s的應變率下的SHPB（霍普金森桿壓縮試驗）應力-應變曲線（圖中實線）。圖中虛線為加載方向平行于層片時的準靜態壓縮實驗的應力應變曲線。f）圖為3D IL和LC復合材料的應力和應變率之間的關系圖。

圖四：復合材料中的3D連鎖骨架的強化機制

圖四：a）圖為原位三點抗彎強度測試后的樣品的SEM圖像。b）和c）圖分別對應為a）圖中的紅色和藍色方框區域的高倍放大圖像，展示了長程裂紋偏轉，多個裂紋，裂紋橋接以及片層之間的滑動。d）圖為裂紋擴展的示意圖。e）圖為3D復合材料的應變敏感性示意圖。f），g），h）和i）圖為樣品經過應變率分別為4000/s、7300/s、9700/s和12000/s的動態加載SHPB測試實驗后的掃描電鏡照片。

文獻鏈接：Cloning Nacre’s 3D Interlocking Skeleton in Engineering Composites to Achieve Exceptional Mechanical Properties