現(xian)(xian)代工業對防(fang)(fang)(fang)護結構(gou)(gou)材料的(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計提(ti)出(chu)了多(duo)維度(du)的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)要(yao)求。在實(shi)現(xian)(xian)輕量化的(de)(de)(de)(de)同(tong)時，必須兼(jian)顧優(you)異的(de)(de)(de)(de)力學性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)，并針對不同(tong)應(ying)用(yong)場(chang)景需要(yao)具有特(te)殊功(gong)能(neng)(neng)。例(li)如，通信設(she)(she)備的(de)(de)(de)(de)外部防(fang)(fang)(fang)護殼體需兼(jian)具出(chu)色(se)(se)的(de)(de)(de)(de)機械(xie)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)與(yu)(yu)優(you)異的(de)(de)(de)(de)透波性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)；軍(jun)事裝備的(de)(de)(de)(de)防(fang)(fang)(fang)護體系則要(yao)求在保障力學性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)基(ji)礎上(shang)實(shi)現(xian)(xian)光學偽裝功(gong)能(neng)(neng)。自然界中(zhong)的(de)(de)(de)(de)生物(wu)鎧甲通過相應(ying)的(de)(de)(de)(de)設(she)(she)計策略既保持防(fang)(fang)(fang)御所需的(de)(de)(de)(de)機械(xie)強度(du)，又(you)能(neng)(neng)實(shi)現(xian)(xian)與(yu)(yu)周圍環境色(se)(se)度(du)匹配的(de)(de)(de)(de)偽裝效果。其中(zhong)，珍珠母憑借其精密(mi)的(de)(de)(de)(de)多(duo)級微觀結構(gou)(gou)展現(xian)(xian)出(chu)遠超組成成分的(de)(de)(de)(de)斷裂韌性(xing)(xing)(xing)，為人(ren)工材料設(she)(she)計提(ti)供了重要(yao)的(de)(de)(de)(de)仿生啟示。然而，如何將這種(zhong)自然界結構(gou)(gou)設(she)(she)計有效應(ying)用(yong)于(yu)工程(cheng)材料體系，特(te)別是在具有優(you)異力學性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)前(qian)提(ti)下實(shi)現(xian)(xian)功(gong)能(neng)(neng)集成，仍然是亟(ji)待解(jie)決(jue)的(de)(de)(de)(de)一(yi)個瓶頸。
近日，188bet足球俞書宏院士團隊在《先進材料》（Advanced Materials）上刊發了以“Mechanical robust nacre-mimetic composites with designable cryptic coloration andelectromagneticwave-transparent performance”為題的研究成果，報道了一種結構功能一體化設計的仿珍珠母復合材料。該復合材料不僅具備獨特的顏色可調性和優異的透波性能，同時實現了輕量化、高強度、高韌性以及出色的抗沖擊性能。188bet足球博士研究生龐俊、南方科技大學博士后張振邦和我校博士后王澤宇為論文共同第一作者。俞書宏院士與高懷嶺特任教授為通訊作者。
圖1.仿珍珠母復合材料的雙氧化物設計策略示意圖。
研究團隊提出了一種雙氧化物界面設計策略，通過自蒸發組裝與高溫燒結的方式制備出了新型仿珍珠母氧化鋁陶瓷基復合材料（圖1）。該設計策略通過構建氧化鋁微米片之間的礦物橋結構顯著提升了機械強度和韌性（圖2a和b），同時利用固相反應調控組裝微米片界面化學成分實現了可控著色（圖2c）。研究結果表明，這種仿生復合材料的斷裂韌性（~12.2 MPa m1/2）是商用氧化鋁陶瓷的3倍多以上（圖2d）；其吸收的沖擊能量達到商用氧化鋁陶瓷的4倍以上（圖2e）。
圖2.仿珍珠母復合材料的多尺度結構、力學性能及透波性能。（a）仿珍珠母復合材料的“磚-泥”結構；（b）仿珍珠母復合材料的礦物橋結構；（c）氧化鋁微米片上的納米級顯色鈷鋁尖晶石結構；（d）仿珍珠母復合材料的斷裂韌性；（e）仿珍珠母復合材料的抗沖擊性能；（f）仿珍珠母復合材料的力學強度和介電常數，及其與一系列聚合物和陶瓷的Ashby圖對比分析。
此前的研究主要關注珍珠母仿生結構對力學性能的調控作用，而忽略了其對電磁波傳輸特性方面的影響。研究團隊基于珍珠母結構的啟發，提出了一種電磁波傳輸設計理念，其高效透波性能來源于層狀陶瓷框架與低介電常數聚合物形成的微米級透波通道、無定形二氧化硅礦物橋以及單晶氧化鋁微米片的光軸垂直取向。因此，該結構設計實現了力學性能與透波性能的協同增強（圖2f）。
這項研(yan)究在仿生結構材(cai)料(liao)的機(ji)械魯棒(bang)性(xing)、色彩偽裝功(gong)能(neng)(neng)和(he)透波(bo)功(gong)能(neng)(neng)的多性(xing)能(neng)(neng)集成方面取得了重(zhong)要進展。這種雙重(zhong)效益的設計策略為(wei)機(ji)械性(xing)能(neng)(neng)和(he)功(gong)能(neng)(neng)特性(xing)的整合提供了一個設計理念(nian)平臺，為(wei)研(yan)發兼具隱身與(yu)防護性(xing)能(neng)(neng)的仿生層狀結構材(cai)料(liao)提供指導。
該(gai)研究(jiu)得(de)到了國家重點(dian)研發計劃、中(zhong)國科(ke)學(xue)院戰略(lve)性先導(dao)科(ke)技(ji)專(zhuan)項(xiang)(xiang)、新基石研究(jiu)員(yuan)項(xiang)(xiang)目(mu)(mu)(mu)、國家自然科(ke)學(xue)基金重大項(xiang)(xiang)目(mu)(mu)(mu)、安徽省重大基礎研究(jiu)項(xiang)(xiang)目(mu)(mu)(mu)等(deng)資助(zhu)，以(yi)及188bet足球微納研究(jiu)與制造中(zhong)心的(de)支持。
論文鏈接：//advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202416535