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在珍珠母贝的孕育下，大自然用百万年时间创造了堪称完美的生物陶瓷——珍珠质。这种天然复合材料由脆性文石晶体（＞95%）与柔性有机物（＜5%）组成，通过独特的"砖泥结构"构建出令人惊叹的力学性能：其断裂韧性可达纯碳酸钙的3000倍，抗冲击能力更是比基础材料高出两个数量级。材料科学家正从这种精妙的生物结构中汲取灵感。通过3D打印、冰模板法、自组装等前沿技术，使用已有片状或者颗粒状基元，研究人员已成功仿制出仿珍珠质结构材料。实验数据显示，这类仿生材料的抗压强度可达传统复合材料的5-8倍，能量吸收效率提升近10倍，在航空航天、防弹装甲等领域展现出革命性应用潜力。然而，受限于目前的制备工艺、材料尺寸、材料形状等多方面的因素，面向应用的高性能仿珍珠质结构的复合材料的研发仍存在迫切需求。

近期，中国科学技术大学(xué)俞(yú)书(shū)宏(hóng)院(yuàn)士(shì)、茅(máo)瓅(lì)波(bō)教(jiào)授(shòu)团(tuán)队(duì)提(tí)出(chū)了(le)一(yī)种(zhǒng)可(kě)大(dà)规(guī)模(mó)生(shēng)产(chǎn)各(gè)种(zhǒng)尺(chǐ)寸(cùn)，不(bù)同(tóng)形(xíng)状(zhuàng)的(de)仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)结(jié)构(gòu)材(cái)料(liào)的(de)制(zhì)备(bèi)工(gōng)艺(yì)，制(zhì)备(bèi)了(le)一(yī)种兼具高抗弯强度和(hé)高(gāo)断(duàn)裂(liè)韧(rèn)性的仿珍珠质结构材料。相关研究成果发表在国际学术期刊《国家科学评论》（National Science Review）。

1 材料合成

首先使用一步乳液法制备了氧化铝微球，并在微球表面沉积了一层镍盐构成的球壳。通过将复合微球在不同形状的模具中组装得到陶瓷胚体。在胚体被热压烧结的过程中，材料中的孔隙被压实，同时微球被压扁成片状，这些片状陶瓷被表面的镍分隔，构成了仿珍珠质的砖-泥结构。由于仿珍珠质材料由复合微球组装而成，可以通过简单的调节微球粒径来实现材料的微观结构调控。

图1 复合材料的制备流程

2 微观结构

仿珍珠质氧化铝陶瓷-金属镍复合材料展现出了多尺度的微结构，片状的氧化铝陶瓷由金属镍层分隔开，构成了典型的砖-泥结构。在更小的尺度上，片状陶瓷内部可以观察到微小的镍颗粒，这些镍颗粒在陶瓷致密化之前渗入其中，使陶瓷微片的韧性进一步提升。在纳米尺度上，氧化(huà)铝(lǚ)陶(táo)瓷(cí)-金(jīn)属(shǔ)镍(niè)的(de)界(jiè)面(miàn)接(jiē)触(chù)良(liáng)好(hǎo)。

图(tú)2 仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)的(de)多(duō)尺(chǐ)度(dù)结(jié)构(gòu)表(biǎo)征(zhēng)

3 力(lì)学(xué)性(xìng)能(néng)

材(cái)料(liào)多(duō)尺(chǐ)度(dù)的(de)微(wēi)结(jié)构(gòu)赋(fù)予(yǔ)其(qí)优(yōu)异的力学性能，氧化铝-金属镍复合材料兼具高抗弯强度（室温下为 386 MPa，600°C 时286.86 MPa）和高断裂韧性（室温12.76 MPa·m1/2，600 °C 时12.99 MPa·m 1/2）。在材料受力断裂，裂纹沿着陶瓷-金属界面发生偏转，极大的耗(hào)散(sàn)了(le)能(néng)量(liàng)，有(yǒu)效(xiào)的(de)阻(zǔ)止(zhǐ)了(le)灾(zāi)难(nán)性(xìng)失(shī)效(xiào)发(fā)生(shēng)。

图(tú)3 复(fù)合(hé)材(cái)料(liào)的(de)力(lì)学(xué)性(xìng)能(néng)表(biǎo)征(zhēng)

4 结(jié)论(lùn)

研(yán)究(jiū)者(zhě)提(tí)出(chū)了(le)一(yī)种(zhǒng)基(jī)于(yú)可(kě)变(biàn)形(xíng)陶(táo)瓷(cí)微(wēi)球(qiú)压(yā)力(lì)组(zǔ)装(zhuāng)的仿珍珠质结构材料制备方案，成功制备了兼具高强度、高韧性的仿珍珠质陶瓷金属复合材料。这种制备方案(àn)无(wú)需(xū)复(fù)杂(zá)工(gōng)艺(yì)，可(kě)大(dà)规(guī)模(mó)生(shēng)产(chǎn)各(gè)种(zhǒng)尺(chǐ)寸(cùn)，不(bù)同(tóng)形(xíng)状(zhuàng)的(de)仿(fǎng)珍(zhēn)珠(zhū)质(zhì)结(jié)构(gòu)材(cái)料(liào)，为(wèi)面(miàn)向(xiàng)实(shí)用(yòng)化(huà)的(de)仿(fǎng)生(shēng)材料设计与制备提供了新的借鉴和启发。

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Scalable and shapable nacre-like ceramic-metal composites based on deformable microspheres. National Science Review. doi:10.1093/nsr/nwaf006