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中國學者提出增強仿生陶瓷韌性的新方法

2022-03-03 21:11:37 來源：中國新聞網(wǎng)

中新網(wǎng)合肥3月3日電 (記者吳蘭)記者3日從中國科學技術大學獲悉，該校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力增強機制中獲得啟發(fā)，提出一種新的仿生增韌方法，可顯著提升仿珍珠母陶瓷的韌性，優(yōu)于最先進的仿生陶瓷。

相關成果日前發(fā)表于《先進材料》，對于先進陶瓷材料設計和制造具有重要指導意義。

陶瓷具有硬度大、強度高和模量高等優(yōu)異特性，廣泛用于能源、醫(yī)療、航天航空等領域，然而其脆性限制了服役環(huán)境和使用壽命。受天然珍珠母“磚-泥”結(jié)構(gòu)啟發(fā)，仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷韌性得到極大提升，但僅能達到原料陶瓷的10倍，天然珍珠母的韌性提升卻可以高達40倍。對于很多仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷來說，其韌性放大效率不足的一個重要原因在于設計和制備多級結(jié)構(gòu)時，基元片強度相對于長徑比來說太低，導致裂紋在材料中擴展時基元片會直接斷裂。

俞書宏院士課題組利用過去發(fā)展的框架誘導礦化生長的方法，通過實驗證實，基元片強度的提升有利于基元片滑移與裂紋偏轉(zhuǎn)，有效提高了外部增韌機制的耗能作用。由于納米顆粒誘發(fā)的殘余應力對裂紋有閉合作用，材料的本體韌性也得到提升。結(jié)合珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，通過納米尺度殘余應力的設計，顯著提升了仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性放大因子。同時，材料的動態(tài)力學性能也有相應提升。

茅瓅波表示，這一新方法具有普適性，對于類似仿珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的先進陶瓷材料設計和制造具有重要指導意義。

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