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新型仿生陶瓷材料實(shí)現(xiàn)多功能集成

2025-06-15 09:11:42 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)
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簡(jiǎn)介:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)出仿珍珠母結(jié)構(gòu)的氧化鋁基復(fù)合材料。該材料突破性地實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能與功能特性的協(xié)同優(yōu)化,兼具高韌性、抗沖擊和電磁波透射能力,為防護(hù)材料設(shè)計(jì)提供了新思路。
材料科學(xué)領(lǐng)域取得重要突破。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近日成功研制出一種具有仿珍珠母結(jié)構(gòu)的新型陶瓷基復(fù)合材料。這種材料通過(guò)獨(dú)特的雙氧化物界面設(shè)計(jì),在保持輕量化的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了機(jī)械強(qiáng)度與功能特性的協(xié)同提升。

該研究受自然界珍珠母結(jié)構(gòu)的啟發(fā),采用自蒸發(fā)組裝與高溫?zé)Y(jié)工藝制備氧化基復(fù)合材料。珍珠母作為天然生物材料,其精密的多級(jí)結(jié)構(gòu)賦予了優(yōu)異的斷裂韌性。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建礦物橋結(jié)構(gòu),成功模擬了這一特性,使材料的斷裂韌性達(dá)到商用氧化鋁陶瓷的3倍以上。

在材料性能方面,新型復(fù)合材料展現(xiàn)出多方面優(yōu)勢(shì)。抗沖擊性能達(dá)到傳統(tǒng)氧化鋁陶瓷的4倍,同時(shí)保持了良好的輕量化特性。這種突破主要來(lái)源于微米片之間的礦物橋設(shè)計(jì),既增強(qiáng)了界面結(jié)合力,又有效阻止了裂紋擴(kuò)展。

電磁波透射性能是另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。研究人員通過(guò)層狀陶瓷框架與低介電常數(shù)聚合物的組合,形成了微米級(jí)透波通道。特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得材料在保證機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí),仍能保持高效的電磁波透射能力,這為隱身防護(hù)應(yīng)用提供了可能。

色彩調(diào)控功能同樣值得關(guān)注。研究團(tuán)隊(duì)采用固相反應(yīng)技術(shù),精確控制組裝微米片的界面化學(xué)成分,實(shí)現(xiàn)了材料顏色的可調(diào)性。這種特性使其能夠適應(yīng)不同環(huán)境背景的偽裝需求,拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景。

生產(chǎn)工藝方面,該材料采用的雙氧化物界面設(shè)計(jì)策略具有規(guī)模化潛力。自蒸發(fā)組裝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大面積均勻制備,高溫?zé)Y(jié)工藝則確保了材料的穩(wěn)定性。這種組合方法為工業(yè)量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

應(yīng)用前景廣泛是這類材料的顯著特點(diǎn)。在航空航天領(lǐng)域,兼具輕量化、高強(qiáng)度和透波性能的材料能有效減輕飛行器重量;在軍事防護(hù)方面,可同時(shí)滿足偽裝和抗沖擊需求;民用領(lǐng)域如電子設(shè)備外殼等也有潛在應(yīng)用價(jià)值。

與傳統(tǒng)防護(hù)材料相比,這種仿生設(shè)計(jì)解決了多個(gè)性能指標(biāo)難以兼顧的難題。單一材料通常需要在力學(xué)性能和功能特性之間取舍,而新型材料通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了多性能集成。

材料微觀結(jié)構(gòu)的精確控制是技術(shù)關(guān)鍵。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)氧化鋁微米片的取向排列和界面化學(xué)成分,實(shí)現(xiàn)了對(duì)宏觀性能的精確調(diào)控。這種"結(jié)構(gòu)-性能"的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)為其他功能材料研發(fā)提供了借鑒。

環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試表明,該材料在復(fù)雜氣候條件下仍能保持性能穩(wěn)定。高溫、高濕等極端環(huán)境對(duì)材料力學(xué)特性和功能表現(xiàn)影響有限,這為其實(shí)際應(yīng)用提供了保障。

未來(lái)研究方向包括進(jìn)一步優(yōu)化材料配方和工藝參數(shù)。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃探索更多氧化物組合,拓展材料的功能范圍。同時(shí)提高制備效率、降低成本也是產(chǎn)業(yè)化的重要目標(biāo)。

這項(xiàng)成果標(biāo)志著我國(guó)在仿生結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。通過(guò)借鑒自然界的精妙設(shè)計(jì),為開(kāi)發(fā)下一代多功能防護(hù)材料開(kāi)辟了新途徑。相關(guān)技術(shù)有望在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用突破,推動(dòng)材料科學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。
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氧化鋁 陶瓷基 仿生材料
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