在高端裝備制造領(lǐng)域，高強(qiáng)高模量工程陶瓷一直被視為承載部件的"理想材料"，然而其原子間強(qiáng)共價(jià)鍵合作用所帶來(lái)的本征脆性和高裂紋敏感性，一直是限制陶瓷材料實(shí)際應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。自然界中的生物材料如珍珠母、骨骼、竹木等，往往是由95%以上的脆性成分組成，卻展現(xiàn)出卓越的剛度、強(qiáng)度、韌性與損傷容限完美融合。這種"化腐朽為神奇"的能力源于億萬(wàn)年自然演化形成的精細(xì)多級(jí)結(jié)構(gòu)和多尺度外部增韌機(jī)制，為高性能結(jié)構(gòu)陶瓷研發(fā)提供了生物學(xué)靈感。
中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤(rùn)滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心研究人員受大自然中貝殼珍珠母和竹木啟發(fā)，創(chuàng)制了系列具有仿生層狀、層狀梯度和纖維獨(dú)石結(jié)構(gòu)的復(fù)合陶瓷，利用結(jié)構(gòu)和界面對(duì)裂紋擴(kuò)展的誘導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)了陶瓷材料的強(qiáng)韌化。通過(guò)將仿生結(jié)構(gòu)理念和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)思想相結(jié)合，發(fā)展了系列兼具優(yōu)異力學(xué)性能和潤(rùn)滑功能的復(fù)合陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了高溫、高真空等環(huán)境下結(jié)構(gòu)可靠和潤(rùn)滑功能的集成。
近期，研究人員源于竹木的多取向梯度分布結(jié)構(gòu)啟示，對(duì)陶瓷材料進(jìn)行仿生多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多層級(jí)優(yōu)化，創(chuàng)造性構(gòu)造出“強(qiáng)-弱-強(qiáng)”的纖維雙界面結(jié)合的梯度多級(jí)結(jié)構(gòu)體系。這一創(chuàng)新性設(shè)計(jì)為陶瓷材料引入了從微觀到宏觀的跨尺度的裂紋交互行為和外部增韌機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)高韌和優(yōu)異損傷容限的獨(dú)特結(jié)合。發(fā)展的新型強(qiáng)韌耐損傷仿生復(fù)合陶瓷裂紋擴(kuò)展韌性達(dá)26 MPa·m1/2，比相應(yīng)的裂紋引發(fā)韌性提高了247%，較純氧化鋁提升485%。同時(shí)，復(fù)合陶瓷具有極高的理論臨界裂紋尺寸（0.229 mm）和損傷容限參數(shù)（0.852 mm1/2），分別比純氧化鋁提升780%和200%，刷新了仿生復(fù)合陶瓷耐損傷性能的記錄。上述工作還揭示了材料多層級(jí)結(jié)構(gòu)與材料裂紋分階段分布擴(kuò)展之間的關(guān)聯(lián)及其作用機(jī)制。
圖1.多級(jí)精細(xì)仿生結(jié)構(gòu)氧化鋁復(fù)合陶瓷設(shè)計(jì)示意圖
圖2.多種陶瓷體系的損傷容限對(duì)比
該仿生復(fù)合陶瓷能夠承受多次循環(huán)加載而保持漸進(jìn)性失效特征，后續(xù)循環(huán)的最大承載能力可保持在前一個(gè)循環(huán)的85%以上，突破了傳統(tǒng)陶瓷本征脆性和災(zāi)難性斷裂的性能桎梏。這些優(yōu)勢(shì)得益于多級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)在裂紋引發(fā)后提供了更為豐富且多尺度層面的裂紋擴(kuò)展行為，賦予了材料極大的潛力——允許纖維之間存在大尺寸裂紋，且最大程度上保留承載能力。這種集強(qiáng)韌耐損傷為一體的仿生復(fù)合陶瓷在航空航天、先進(jìn)制造、能源裝備等高技術(shù)領(lǐng)域具有巨大潛力。
圖3.裂紋擴(kuò)展過(guò)程的原位追蹤和斷面三維形貌重構(gòu)以及循環(huán)加載試驗(yàn)
該研究工作以“Tough and damage-tolerant composite ceramics enabled by bioinspired multiple architectures”為題發(fā)表在Materials Today上，蘭州化物所陳淑娜助理研究員為論文第一作者，蘇云峰副研究員和張永勝研究員為共同通訊作者。
以上研究得到了國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和甘肅省自然科學(xué)基金的支持。
