陶瓷具有硬度大、模量高等優(yōu)異特性，被廣泛用于航天航空、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域，然而其本征脆性卻限制了其服役環(huán)境和使用壽命。

近日，中國科大俞書宏院士課題組提出了一種新的仿生增韌路徑，并運(yùn)用于人工珍珠母的礦化生長，顯著提升了仿珍珠母陶瓷塊材的韌性放大效率。相關(guān)研究成果以Artificial nacre with high toughness amplification factor:Residual stress-engineering sparks enhanced extrinsic toughening mechanisms為題發(fā)表在Adv.Mater.上。

研究人員首次實(shí)現(xiàn)了將納米Fe3O4顆粒與Ca(HCO3)2前驅(qū)體溶液在幾丁質(zhì)模板上共礦化，使納米顆粒原位生長入文石基元片中。結(jié)果表明，四納米顆粒承擔(dān)拉應(yīng)力，由于其尺寸?。{米級(jí)），對(duì)缺陷不敏感，因此拉應(yīng)力對(duì)其強(qiáng)度削弱影響不大；文石顆粒承擔(dān)壓應(yīng)力，使得文石片發(fā)生破壞時(shí)需要額外的外部拉力來平衡壓應(yīng)力，因此基元片的總拉伸強(qiáng)度得以提升。結(jié)合試驗(yàn)與有限元分析，證實(shí)了基元片強(qiáng)度的提升有利于基元片滑移與裂紋偏轉(zhuǎn)，有效地提高了外部增韌機(jī)制的耗能作用。因此，結(jié)合珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過納米尺度殘余應(yīng)力的設(shè)計(jì)，顯著提升了仿珍珠母結(jié)構(gòu)陶瓷的韌性放大因子。同時(shí)，材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也有相應(yīng)提升。

這一新的仿生增韌策略-殘余應(yīng)力增強(qiáng)機(jī)制可有效提升層狀基元片層強(qiáng)度，對(duì)于類似仿珍珠母層狀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)陶瓷材料的設(shè)計(jì)和制造具有指導(dǎo)意義。研究受到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。