材料新突破！可變形微球打造仿珍珠質陶瓷——金屬複合材料|NSR

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在珍珠母貝的孕育下，大自然用百萬年時間創造了堪稱完美的生物陶瓷——珍珠質。這種天然複合材料由脆性文石晶體（＞95%）與柔性有機物（＜5%）組成，透過獨特的"磚泥結構"構建出令人驚歎的力學效能：其斷裂韌性可達純碳酸鈣的3000倍，抗衝擊能力更是比基礎材料高出兩個數量級。材料科學家正從這種精妙的生物結構中汲取靈感。透過3D列印、冰模板法、自組裝等前沿技術，使用已有片狀或者顆粒狀基元，研究人員已成功仿製出仿珍珠質結構材料。實驗資料顯示，這類仿生材料的抗壓強度可達傳統複合材料的5-8倍，能量吸收效率提升近10倍，在航空航天、防彈裝甲等領域展現出革命性應用潛力。然而，受限於目前的製備工藝、材料尺寸、材料形狀等多方面的因素，面向應用的高效能仿珍珠質結構的複合材料的研發仍存在迫切需求。

近期，中國科學技術大學俞書宏院士、茅瓅波教授團隊提出了一種可大規模生產各種尺寸，不同形狀的仿珍珠質結構材料的製備工藝，製備了一種兼具高抗彎強度和高斷裂韌性的仿珍珠質結構材料。相關研究成果以“Scalable and shapable nacre-like ceramic-metal composites based on deformable microspheres”發表在國際學術期刊《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。文章第一作者為中國科學技術大學碩士研究生陸宇傑，博士後孟祥森為共同第一作者。

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材料合成

首先使用一步乳液法制備了氧化鋁微球，並在微球表面沉積了一層鎳鹽構成的球殼。透過將複合微球在不同形狀的模具中組裝得到陶瓷胚體。在胚體被熱壓燒結的過程中，材料中的孔隙被壓實，同時微球被壓扁成片狀，這些片狀陶瓷被表面的鎳分隔，構成了仿珍珠質的磚-泥結構。由於仿珍珠質材料由複合微球組裝而成，可以透過簡單的調節微球粒徑來實現材料的微觀結構調控。

圖1 複合材料的製備流程

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微觀結構

仿珍珠質氧化鋁陶瓷-金屬鎳複合材料展現出了多尺度的微結構，片狀的氧化鋁陶瓷由金屬鎳層分隔開，構成了典型的磚-泥結構。在更小的尺度上，片狀陶瓷內部可以觀察到微小的鎳顆粒，這些鎳顆粒在陶瓷緻密化之前滲入其中，使陶瓷微片的韌性進一步提升。在奈米尺度上，氧化鋁陶瓷-金屬鎳的介面接觸良好。

圖2 仿珍珠質複合材料的多尺度結構表徵

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力學效能

材料多尺度的微結構賦予其優異的力學效能，氧化鋁-金屬鎳複合材料兼具高抗彎強度（室溫下為 386 MPa，600°C 時286.86 MPa）和高斷裂韌性（室溫12.76 MPa·m^1/2，600 °C 時12.99 MPa·m ^1/2）。在材料受力斷裂，裂紋沿著陶瓷-金屬介面發生偏轉，極大的耗散了能量，有效的阻止了災難性失效發生。