中國金宝搏入口188研制具有主動早期火災預警功能的熱致變色仿珍珠母結構材料
先進結(jie)(jie)構(gou)(gou)材(cai)(cai)料(liao)已在航(hang)空航(hang)天(tian)、建筑和(he)汽車制(zhi)(zhi)造等(deng)領域得(de)到了廣泛應(ying)用(yong)，其性(xing)能(neng)(neng)需同時滿足輕質、高(gao)(gao)強度以及優異的(de)(de)(de)韌性(xing)。通過模(mo)仿(fang)珍(zhen)珠母高(gao)(gao)度有(you)(you)序的(de)(de)(de)“磚-泥”結(jie)(jie)構(gou)(gou)并引(yin)入(ru)礦物橋增強機制(zhi)(zhi)，可(ke)制(zhi)(zhi)備出兼具(ju)強度與韌性(xing)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)性(xing)能(neng)(neng)仿(fang)生(sheng)結(jie)(jie)構(gou)(gou)材(cai)(cai)料(liao)。隨著多(duo)功能(neng)(neng)應(ying)用(yong)需求(qiu)的(de)(de)(de)日(ri)益增長(chang)，這些(xie)材(cai)(cai)料(liao)還需具(ju)備其他功能(neng)(neng)以適(shi)應(ying)復雜的(de)(de)(de)環境變化。例如，在某些(xie)易(yi)燃(ran)(ran)場景中，失控火(huo)(huo)災產生(sheng)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫可(ke)能(neng)(neng)會(hui)顯著削弱結(jie)(jie)構(gou)(gou)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)機械性(xing)能(neng)(neng)，從而增加設備故(gu)障或結(jie)(jie)構(gou)(gou)坍(tan)塌(ta)的(de)(de)(de)風險(xian)。然而，仿(fang)生(sheng)復合材(cai)(cai)料(liao)中有(you)(you)機成(cheng)分(fen)固有(you)(you)的(de)(de)(de)熱穩定性(xing)限(xian)制(zhi)(zhi)了其整體高(gao)(gao)溫性(xing)能(neng)(neng)。為應(ying)對這一挑戰，通常需要引(yin)入(ru)火(huo)(huo)災報警和(he)阻燃(ran)(ran)系(xi)統(tong)，但(dan)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)復雜性(xing)增加將會(hui)影(ying)響(xiang)其可(ke)靠性(xing)。因此，開發(fa)兼具(ju)主動早(zao)期火(huo)(huo)災預警和(he)被動阻燃(ran)(ran)的(de)(de)(de)多(duo)功能(neng)(neng)結(jie)(jie)構(gou)(gou)材(cai)(cai)料(liao)具(ju)有(you)(you)重要的(de)(de)(de)實際意義。
近日(ri)，188bet足球俞(yu)書宏(hong)院(yuan)士團(tuan)隊提出(chu)了(le)一(yi)(yi)種將原子摻雜設計與仿(fang)生結(jie)構設計相結(jie)合(he)的策(ce)略，制備出(chu)具有機(ji)械魯棒性、熱致變色特(te)性和阻燃(ran)功能(neng)的仿(fang)珍珠母(mu)氧化鋁-氰酸酯復(fu)合(he)材料。相關成果以“A nacre-inspired structural material with thermochromic properties and mechanical robustness by atomic-level design”為題(ti)發表于《國(guo)家(jia)科學評論》（National Science Review）。188bet足球博(bo)士研(yan)究(jiu)生龐(pang)俊、博(bo)士后王澤宇(yu)和博(bo)士生宋濤(tao)為論文共同第一(yi)(yi)作者，俞(yu)書宏(hong)為通訊作者。
圖(tu)1.原(yuan)子級摻雜策(ce)略與(yu)仿生復合材料制備示意圖(tu)。
研究團隊通過可控的固溶反應合成了鉻摻雜的氧化鋁微米片，并將其作為仿珍珠母結構中的“磚”（圖1和圖2a-c）。這些微米級組裝基元表現出獨特的可逆熱致變色特性。同時，該原子級摻雜策略同步實現了固溶強化效應，與仿珍珠母多級結構設計協同作用（圖1），使仿生復合材料具有高彎曲強度（~290.1MPs）和高斷裂韌性（~11.1MPa m1/2）的(de)機械性能(neng)（圖(tu)2d）。通(tong)過(guo)基于(yu)機器(qi)學習的(de)K-means模(mo)型的(de)圖(tu)像識別技術，仿(fang)生復合(he)材料(liao)(liao)(liao)在250℃時的(de)響應時間為(wei)(wei)9秒，適用(yong)(yong)于(yu)早期火(huo)災(zai)預(yu)警（圖(tu)2e）。此外(wai)，高度有(you)序的(de)“磚(zhuan)-泥(ni)”結(jie)(jie)構有(you)效阻礙了(le)(le)(le)氧(yang)氣的(de)傳(chuan)導，實現了(le)(le)(le)50%的(de)極(ji)限氧(yang)指數，從(cong)而賦予了(le)(le)(le)仿(fang)生復合(he)材料(liao)(liao)(liao)優(you)(you)異(yi)的(de)阻燃(ran)性能(neng)（圖(tu)2e）。該(gai)仿(fang)生復合(he)材料(liao)(liao)(liao)在保持(chi)優(you)(you)異(yi)機械性能(neng)的(de)基礎上(shang)，通(tong)過(guo)集成早期火(huo)災(zai)主(zhu)動(dong)預(yu)警與(yu)被動(dong)式(shi)阻燃(ran)雙重功(gong)(gong)能(neng)，構建了(le)(le)(le)主(zhu)動(dong)-被動(dong)協同(tong)防(fang)護體系，從(cong)而使其成為(wei)(wei)兼具結(jie)(jie)構承載與(yu)智能(neng)防(fang)護功(gong)(gong)能(neng)的(de)多功(gong)(gong)能(neng)材料(liao)(liao)(liao)，在智能(neng)火(huo)災(zai)預(yu)警系統(tong)領域展現出廣闊(kuo)應用(yong)(yong)前(qian)景。
圖2.（a）氧化(hua)鋁微(wei)(wei)米片截面透射電(dian)鏡(jing)元(yuan)素分布(bu)圖；（b）聚焦(jiao)離子束技術沿著（006）晶面對(dui)鉻(ge)摻雜的(de)氧化(hua)鋁微(wei)(wei)米片進行精確(que)加(jia)工；（c）鉻(ge)摻雜的(de)氧化(hua)鋁微(wei)(wei)米片原子級透射電(dian)鏡(jing)元(yuan)素分布(bu)圖；（d）仿生復(fu)合材(cai)料(liao)機(ji)械(xie)性能的(de)Ashby圖；（e）仿生復(fu)合材(cai)料(liao)的(de)主動早期(qi)火(huo)災預警與(yu)被(bei)動防火(huo)阻燃功(gong)能示(shi)意(yi)圖。
這項工作展示了(le)結(jie)(jie)構設計(ji)與功能設計(ji)的(de)有效結(jie)(jie)合(he)，實現(xian)了(le)主動早(zao)期火災(zai)預警和(he)被動阻燃(ran)協同作用機制，為復雜惡劣環境下新一代(dai)智能火災(zai)預警系統的(de)高性能結(jie)(jie)構材料開(kai)發提供了(le)一種嶄新的(de)途(tu)徑。
該研(yan)究得到(dao)了(le)國家(jia)(jia)重(zhong)點研(yan)發計劃、中國科學(xue)院戰略性(xing)先導(dao)科技(ji)專項(xiang)(xiang)(xiang)、國家(jia)(jia)自然科學(xue)基金重(zhong)大項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)(mu)、安(an)徽省重(zhong)大基礎研(yan)究項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)(mu)以及新(xin)基石研(yan)究員項(xiang)(xiang)(xiang)目(mu)(mu)等資助。
論文鏈接：//doi.org/10.1093/nsr/nwaf098
（合肥微尺度物質科(ke)(ke)學國家研究中(zhong)心、化學與(yu)材料科(ke)(ke)學學院(yuan)、科(ke)(ke)研部）
