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在眾多材料中，陶瓷材料具有著許多金屬材料及高分子材料都難以比擬的優良特性，具有低密度、高強度的優點。多數陶瓷的密度是金屬密度的50%，因此由陶瓷制作而成的零部件不但自身的質量小，并且還可以減少驅動一些運動件所需的能量，有利于加快響應速度，從而減小振動。由于其優異的特性，陶瓷材料被廣泛用于能源、醫療、航天航空等領域，甚至是分析儀器的配件耗材中也有它的存在。但是陶瓷材料的本征脆性卻限制了其服役環境和使用壽命。
而科學家們早已發現，貝殼其特殊的結構賦予其具有很高的強度和韌性。珍珠母主要由一層層碳酸鈣構成，層間是幾丁質之類的二元共聚物，其硬度和韌性比高級陶瓷的數量級要高得多。若是開展對貝殼等生物材料的微結構及其性能的結構仿生設計研究，那么這種人工合成具有貝殼特性的高性能材料極可能被廣泛應用，甚至能夠用于增強軍方裝甲的抗擊船能力。如果能完全仿照珍珠母的微結構，從理論上說，裝甲性能還可以再提高上百倍。
早在2009年就有科學家以氧化鋁替代碳酸鈣，在冰點溫度下小心控制氧化鋁的生長，層間填充的二元共聚物則以聚甲基丙烯酸甲酯，最后得到了一種抗裂強度高于氧化鋁300倍的堅硬陶瓷。這種珍珠層狀結構的陶瓷復合材料，在應力場中表現為大量能量的吸收及釋放，以此來解決陶瓷在工程中無法預測的突然斷裂的問題。并且制備缺陷在珍珠層狀材料中受影響較小，能夠有效地抵消材料在制備過程中無法避免的一些缺陷，從而大大提高其力學性能特性，使得材料能夠在超過其本身強度的同時，韌性提高幾個數量級。
盡管仿珍珠母結構陶瓷的韌性得到了極大提升，但也僅僅是能達到原料陶瓷的10倍，天然珍珠母的韌性提升卻可高達40倍。對于很多仿珍珠母結構陶瓷來說，其韌性放大效率不足的一個重要原因，在于設計和制備多級結構時，基元片強度相對于長徑比來說太低，裂紋在材料中擴展時會導致基元片直接斷裂。
為了解決這樣的問題，近日，中國科學技術大學俞書宏院士課題組茅瓅波副研究員等從生物礦物的殘余應力增強機制中獲得啟發，提出一種新的仿生增韌方法，他們利用框架誘導礦化生長的方法，首次實現納米四氧化三鐵顆粒與碳酸氫鈣前驅體溶液在幾丁質模板上的共礦化，使納米顆粒在文石基元片中原位生長。
研究者們利用同步輻射衍射技術對其進行分析結果表明，四氧化三鐵納米顆粒承擔拉應力，文石顆粒承擔壓應力，基元片的總拉伸強度得以提升。而基元片強度的提升有利于基元片滑移與裂紋偏轉，有效提高了外部增韌機制的耗能作用。由于納米顆粒誘發的殘余應力對裂紋有閉合作用，材料的本體韌性也得到提升。再結合珍珠母層狀結構的優點，通過納米尺度殘余應力的設計，仿珍珠母結構陶瓷的韌性放大因子得到顯著提升。這種方法能夠顯著提升仿珍珠母結構陶瓷的韌性，并且韌性放大系數要優于前沿的仿生陶瓷。
自古以來，自然界就是人類各種技術思想、工程原理及重大發明的源泉。就像仿生陶瓷，人們從貝殼開始研究，分析其組成、研究其結構，最后通過模仿它的組成和結構制備出我們所期望的材料，然后再將其應用與我們的生活。這些生物早在人類出現之前就已經存活了億萬年，在它們為生存而斗爭的長期進化中，獲得了與大自然相適應的能力，包括體內的生物合成、能量轉換、信息的接收和傳遞、對外界的識別、導航、定向計算以及綜合等，都顯示出了許多機器所不能比擬的優越之處。當我們不斷去了解自然、挖掘自然，對自然永遠保持一顆好奇心，那么必然會不斷地從自然中學習到更多能夠運用在我們日常生活的知識。同樣，我們的分析儀器也會在新技術的不斷發現、研究、運用中變得更為精湛。
(資料來源：科技日報、知網)
(原標題：仿生陶瓷再增韌性 不斷從大自然中得到啟發)
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