中國科學技術大學俞書宏院士團隊提出了一種基于可變形微球有序組裝，制備高性能仿珍珠母陶瓷-金屬復合材料的新策略。該材料兼具高抗彎強度與高斷裂韌性，且可通過簡易工藝實現(xiàn)大規(guī)模、多形狀定制化生產(chǎn)，為仿珍珠母結構復合材料走向實用化提供了新路徑。相關研究成果發(fā)表于2025年第三期《國家科學評論》。
貝類動物進化出的堅硬外殼像盔甲一樣保護柔軟的身體。科學家發(fā)現(xiàn)，這層外殼的奧秘之一在于內部的珍珠母結構——這種天然材料由無數(shù)碳酸鈣薄片（類似“磚塊”）與少量蛋白質（類似“水泥”）像砌墻般層層堆疊而成。這種層次分明的結構讓珍珠母在受到外力時，在保持高強度的同時，能夠極大的耗散能量，即使組成材料本身并不特別堅固，組合后卻產(chǎn)生了1+1>2的防護效果。受此啟發(fā)，科研人員模仿珍珠母結構制備出了更輕更堅固復合材料，有望應用于防彈衣和航天材料。但要實現(xiàn)這類材料的大規(guī)模生產(chǎn)并精確控制形狀，目前仍是技術難題。
俞書宏研究團隊打破傳統(tǒng)的“磚泥”分步制備思路，采用“一步乳液法”：首先制備了尺寸可調的氧化鋁微球，經(jīng)過篩后得到粒徑一致的微球，并在其表面包裹鎳鹽層；進一步通過模具組裝和熱壓燒結，在此過程中修飾后的復合微球被壓扁成片狀陶瓷，金屬鎳層則形成分隔結構，精準地復刻了天然珍珠母的微觀“磚泥”結構。
結構表征顯示，該材料在多個尺度上得到了優(yōu)化。在宏觀層面，氧化鋁陶瓷片與金屬鎳層交替排列。在微觀層面，鎳顆粒滲入陶瓷片內部增強韌性，同時，兩相界面結合緊密。這種跨尺度協(xié)同效應使優(yōu)化后的復合材料在在高低溫下均表現(xiàn)出較高的抗彎強度和斷裂韌性。實驗時，團隊發(fā)現(xiàn)所制備的仿珍珠母復合材料在受力發(fā)生破壞時，裂紋會沿陶瓷-金屬界面發(fā)生偏轉，通過能量耗散避免瞬間失效，這一特性使其在極端環(huán)境如航天器熱防護、高速沖擊防護涂層中極具應用潛力。
這項研究是繼該團隊實現(xiàn)人工合成珍珠母工作的基礎上，進一步將仿珍珠母結構設計理念拓展至陶瓷-金屬復合材料體系，并與快速塑形制備技術相結合，為助力仿生結構材料從實驗室走向實用化邁出了關鍵一步。
相關論文信息：https://academic.oup.com/nsr/article/12/3/nwaf006/7964895
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-2537-0.html科學家制備出高強韌仿生陶瓷-金屬復合材料
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