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复合材料哪家强,贝壳里面秘密藏

贝壳中碳酸钙(CaCO3)特有的层状堆叠结构早已被大家所熟知,并成为材料科学家们构筑仿生高强度材料的模仿对象。贝壳具有如此优异的力学性能得益于其微观尺度上,碳酸钙薄片特有的“砖泥”结构,这就类似于砌墙的时候,砖块平行交错堆砌,之间再用水泥粘合增强。在贝壳中,许多有机大分子起到了水泥的作用。而矿物片层在空间中的分布与取向、矿物之间的桥连结构、纳米粗糙结构之间的摩擦、能够发生应变增强的有机基质,都会对材料的力学性能产生重要的影响(点击阅读相关)。大部分的研究者在制备仿贝壳材料的时候都把目光聚焦在如何复刻贝壳的层状堆砌结构上。不过,来自瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)André R. Studart教授课题组则另辟蹊径,研究了矿物的纳米互连结构对其力学性能的影响,相关论文发表在了最新的Advanced Materials上。


事实上,最新的研究揭示了矿物的纳米互联结构对于材料强度与韧性的提高均有较大影响,相关的研究也有报道,然而,对于其提高材料力学性能的机理研究却并不多见。因此,本文的作者对此进行了深入的研究。

仿贝壳材料的制备过程及微观结构。图片来源:Adv. Mater.


首先,他们利用磁力及真空辅助的组装的过程将陶瓷片进行了堆砌;然后,对所得材料进行热压处理,高温下导致表面层烧结,形成粗糙的矿物纳米互联结构;最后向内材料部浸入粘度较低的单体,再聚合形成聚合物有机基体。为了便于调节矿物片层间的接触,研究者选择了氧化铝的微米片,并在上面预先覆盖了一层致密的二氧化钛纳米粒子薄膜,其中氧化铝在高温下非常稳定,而二氧化钛纳米粒子在高温下易于烧结。因此该薄片可以通过控制温度有效调节最终结构。在高温处理的过程中,二氧化钛层发生Ostwald熟化从而形成表面较大的锐钛矿,最后在接触点形成矿物桥连结构。这一过程可在800 ℃至1100 ℃以下很好的进行。值得一提的是,尽管研究者发现调节烧结结构温度/压力的窗口很窄,但是由于二氧化钛的强度只有氧化铝的一半,因此通过调控压力能够较好的操控这一过程。

温度等操作参数对桥连结构的影响。图片来源:Adv. Mater.


获得了不同的纳米互连结构,研究者对其力学性能进行了研究,结果表明在较高的温度下处理得到的材料的确具有更高的力学强度,这一提升要归功于纳米互连结构的形成。值得一提的是,研究者还发现,随着矿物含量的提升,弹性模量、强度和断裂韧性会同时提高,这在一般矿物含量超过60%的仿贝壳材料中较为少见。进一步的观察也发现,随着热压温度的上升,材料断裂的情况发生了改变,纳米互联结构能够抑制裂缝的扩展,从而储存更多的弹性能。

材料的力学性能。图片来源:Adv. Mater.


总之,通过增加无机材料密度,并同时增加纳米互连结构,能够实现材料刚性与强度的同时提高。这篇文章也为类似的仿贝壳材料的制备提供了新的思路。


—— 评论 ——


这篇论文是一篇相对传统的文章。仿贝壳复合材料很早就进入了研究者们的视野,当其他研究者努力实现层状堆砌结构的时候,作者另辟蹊径从片层间的堆砌结构入手,得到了新的结论,这些结论有助于指导此类材料的制备。更重要的是,这一研究所涉及的纳米互连结构对制备高复合强度的材料具有启发性。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Mineral Nano-Interconnectivity Stiffens and Toughens Nacre-like Composite Materials

Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201605039


(本文由YHC供稿)


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