Advanced Material: 北航仿生智能界面重点实验室研发出“仿贝壳连锁骨架”结构复合材料

【 成果简介】

冷冻铸造法是制备仿贝壳层状复合材料最有效的方法。目前，界面嫁接复合材料、超高陶瓷体积分数（98 vol.%）的复合材料以及金属陶瓷复合材料等制备技术均被用来提高工程复合材料的强度和韧性。然而这些传统技术都是牺牲材料密度，在质量、强度和韧性之间相互妥协，来提高复合材料强韧性的。因此，要发展新一代的轻质高强韧性复合材料，就必须建立新的材料设计策略。

研究发现，在贝壳的结构中，有机基体之间存在大量的“矿物桥”连接在片层之间。这些“桥梁”的存在是贝壳具有优良的机械性能的关键因素。鉴于此，研究人员将贝壳的结构称为“砖-桥-泥”（BBM）结构，而不是传统上认为的“砖-泥-砖”（BM）结构。因此，要进一步开发轻质高强韧防贝壳复合材料，就要模仿贝壳的BBM结构。

本文中，研究人员以陶瓷（氧化铝）和聚合物（氰酸酯）为原料，采用简单冷冻铸造的方法，合成具有3D连锁骨架的陶瓷/聚合物复合材料。下文的图文导读对这种复合材料的微观结构及其优越的机械性能进行了描述。

【图文导读】

图一：防贝壳3D连锁骨架Al2O3/CE复合材料（3D IL）的微观结构
 图一： a、b)分别为含有SCMC（羧甲基醚纤维素钠）的氧化铝陶瓷胚体冷冻干燥后的低倍和高倍扫描电镜图像。c、d)分别为烧结过程中除掉SCMC后的层状陶瓷胚体的低倍和高倍扫描电镜图。e、f)分别为在3D连锁层状氧化铝陶瓷胚体中浸渗CE（氰酸酯）复合材料的低倍和高倍扫描电镜图像。图f中的插图为陶瓷桥浸渗在CE中的复合材料的EDS（能谱）图像，较亮的相为氧化铝。

图二：3D连锁骨架的形成过程

图二：从左至右分别为SCMC含量为4、5、7、9 wt %的氧化铝悬浮液所制成的样品冷冻干燥后的扫描电镜图像。 e）图为陶瓷桥形成过程的示意图。a）图为在低SCMC含量的悬浮液得到的有序的层状结构。随着SCMC浓度增加，b）图中形成的突触的长度约为10μm，c）图中，SCMC浓度达到7 wt %，开始有陶瓷桥形成。在这种情况下，同时形成突触和陶瓷桥。d）图中，SCMC浓度提高到9 wt %，形成了高度有序的陶瓷桥。

图三：3D复合材料的准静态和动态力学性能

图三：a）图为氧化铝、CE（氰酸酯）、3D IL和LC（不具备3D连锁骨架结构的氧化铝/氰酸脂层状复合材料）的三点抗弯强度测试中的应力-应变曲线。b）图为3D IL和经过重复的三点弯曲测试所得的应力应变曲线。可以发现3D IL的强度和韧性都有明显提高。c）图3D IL、LC和参考文献中提到的陶瓷/聚合物复合材料的强度和应变的汇总对比图。3D IL性能具有明显的优越性。d）图为陶瓷/聚合物、陶瓷/金属、陶瓷/石墨烯、陶瓷/碳纳米管和典型聚合物基轻质复合材料的比强度和密度汇总对比。e）图为3D IL和LC复合材料在104/s的应变率下的SHPB（霍普金森杆压缩试验）应力-应变曲线（图中实线）。图中虚线为加载方向平行于层片时的准静态压缩实验的应力应变曲线。f）图为3D IL和LC复合材料的应力和应变率之间的关系图。

图四：复合材料中的3D连锁骨架的强化机制

图四：a）图为原位三点抗弯强度测试后的样品的SEM图像。b）和c）图分别对应为a）图中的红色和蓝色方框区域的高倍放大图像，展示了长程裂纹偏转，多个裂纹，裂纹桥接以及片层之间的滑动。d）图为裂纹扩展的示意图。e）图为3D复合材料的应变敏感性示意图。f），g），h）和i）图为样品经过应变率分别为4000/s、7300/s、9700/s和12000/s的动态加载SHPB测试实验后的扫描电镜照片。

文献链接：Cloning Nacre’s 3D Interlocking Skeleton in Engineering Composites to Achieve Exceptional Mechanical Properties