苏黎世联邦理工学院Adv. Funct. Mater.：通过矿物桥增韧的透明珍珠质复合材料

【引言】

坚固透明的材料可用于多种应用，从电子设备中的显示器和光通信中的光纤到建筑，建筑和艺术中的结构元素。尽管存在广泛的需求，但高强度和光学透明性通常是难以在单一均质材料中调和的性能。这解释了在同时需要强度和透明度的应用中，广泛使用了基于二氧化硅的玻璃作为主要材料。尽管最先进的氧化物玻璃具有足够的强度，可以承受几种应用场合中产生的机械负载条件，但这种材料无法抵抗裂纹扩展，因此以脆性和灾难性方式破裂。因此，结合强度，韧性和透明性的材料具有高度的实用和技术意义。

【成果简介】

苏黎世联邦理工学院Florian Bouville和Andre R. Studart开发了一种制造方法，该方法能够在由受折射率匹配的聚合物基质渗透的玻璃片组成的生物启发型复合物中形成珍珠质状矿物桥。通过改变在压制玻璃薄片期间施加的压力，可以容易地制造具有可调节水平的矿物桥和薄片互连性的复合材料。通过进行最先进的断裂实验与原位电子显微镜相结合，研究了血小板互连性对受生物启发的复合材料的机械强度和断裂行为的影响。结果表明，血小板之间互连的形成导致块状透明材料具有前所未有的强度和断裂韧性组合。这组不寻常的属性可以潜在地满足电子显示器和相关技术当前未满足的需求。该成果以题为“Transparent Nacre-like Composites Toughened through Mineral Bridges”发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1.透明珍珠质复合材料的制备和微观结构特征

a）描绘透明珍珠质复合材料制造步骤的图表

b）压实过程中薄片相对密度的变化与施加压力的关系

c）直方图显示了在5 MPa和110 MPa压实的样品中簇尺寸的分布

d）（右下）在40 MPa压实的样品的扫描电子显微照片。（左上）SEM图像上簇的颜色编码空间分布的叠加

e）在不同压实压力下制备的样品中观察到的团簇大小的相对频率

f）最终样品的相对互连性是5到110 MPa范围内压应力的函数

图2.透明珍珠质复合材料的弯曲力学性能和抗裂纹扩展性

a）在不同压实压力下制备的透明珍珠质复合材料试样的挠曲应力是挠曲应变的函数

b）通过具有不同相对互连性的复合材料的单边切口弯曲（SENB）实验获得的力-位移曲线

c）复合材料的抗弯强度（以MPa为单位）和杨氏模量（以GPa为单位）作为相对互连性的函数。

d）经受SENB断裂实验的不同珍珠质复合材料的抗裂纹扩展能力（KIJ）与裂纹扩展（Δa）的关系

图3.透明珍珠质复合材料的断裂行为

a）扫描电子显微照片，显示了楔形劈裂测试（WST）配置下的试样断裂

b–d）代表性的SEM照片，分别显示相对互连度分别为0.43（灰色），0.77（黄色）和1.13（蓝色）的试样在断裂实验开始和结束时的曲折路径

e）由具有不同互连度的复合材料中的挠曲事件引起的裂纹曲折度（τ）。弯曲度值对应于总裂纹长度与沿裂纹方向的每帧尺寸之间的比率

f–h）SEM照片突出显示了主裂纹扩展过程中多个聚合物桥接位置的存在

i）在SENB试样中测得的裂纹萌生（KIC）和裂纹扩展KI Jmax（实心符号）的临界应力强度因子

图4.透明珍珠质复合材料的光学性质

a）Ashby图显示了断裂韧性与不同类别的透明材料强度之间的关系

b）将0.7毫米厚的样品放在重新照明的笔记本电脑屏幕上方的照片

c-e）突出显示与折射率匹配的油的珍珠母状复合材料的透光性的照片

f）相对互连度为1.13的珍珠母状复合材料的总漫透射率（实线蓝线）与以前报告的矿物桥密度低的珍珠母状样品的透射率数据相比（灰色线，灰色阴影区域）

g）平均线扫描显示在没有任何样品（粉红色符号），抛光后的样品（橙色符号）以及没有与折射率匹配的浸没油耦合的样品的情况下，图案从清晰的白到黑过渡的像素亮度（绿色符号）

h–j）用于测量从白色到黑色过渡的像素亮度的区域图像，这些图案用于没有任何样品，经过抛光的样品以及带有与折射率匹配油光学耦合的样品的图案

【总结】

结合高韧性，强度和光学透明性的块状复合材料可以通过创建一种珍珠质风格的结构来制造，该结构包括相互连接的玻璃薄片，这些薄片渗透有折射率匹配的聚合物基质。互连的增强相是通过一系列简单的处理步骤获得的，这些步骤涉及真空过滤，单轴压制和烧结方案。可以通过改变单轴压缩过程中施加的压力来调整血小板的互连性。在烧结过程中，在压制的薄片之间的接触点上会产生牢固的互连。互连性的增加显着增强了透明珍珠质复合材料的机械强度和初始断裂韧性。除了这种增强作用，复合材料还显示出对裂纹增长的抵抗力。复合材料的增加的抗裂纹扩展性可能是由于在主裂纹之后形成的聚合物桥而引起的，并且似乎与片层的互连性无关。具有高度相互连接的片层的类似珍珠质的复合材料比矿物桥密度低的同类材料强两倍，韧性高20％。在不损害复合材料的光学透明性的情况下实现了这种机械改进。在复合材料覆盖的复古照明图案中观察到的鲜明对比表明，这种材料具有强大的潜力，可以替代最新的脆性显示器。

文献链接：Transparent Nacre-like Composites Toughened through Mineral Bridges. Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202002149.

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。 

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