中科大俞书宏院士团队《AM》：受生物启发的高抗冲击陶瓷-聚合物复合材料

结构材料，尤其是装甲，经常受到冲击损伤的威胁。因此，需要不断的探索更有效的抗冲击材料结构设计策略，以满足日益增长的应用需求。自然界为我们制备耐冲击材料提高了丰富的灵感来源，多种结构元素通常在单一的生物材料中协同合作，以达到强化和增韧的效果。例如，由扭曲排列的纳米纤维薄片组成的Bouligand结构广泛存在于口足目动物的鱼鳞、骨骼和甲壳类动物的外骨骼中。Bouligand结构通过在外部负载下旋转和重新定向有序纳米纤维，从而具有卓越的能量吸收能力。此外，大多数生物材料，如竹子、骨头和甲壳类动物的外骨骼都是结构梯度的，具有坚硬的外层和坚韧的内层。坚硬的外层可以直接抵抗捕食者的猛烈攻击，而坚韧的内层可以作为具有高能量吸收的可变形垫层来稳定结构。这两个部分通常通过渐变夹层连接以避免性能不匹配。受这些生物结构元素的启发，许多研究人员已经进行了大量成功的尝试。然而，这些研究大多都集中在单一的生物结构，通过整合不同的生物结构元素来开发仿生材料仍然具有挑战性。

基于此，来自中国科学技术大学的俞书宏院士、高怀岭教授团队提出了一种独特的仿生梯度布利冈(Bouligand，GB)结构结构设计。在铸造机器人的帮助下，氧化铝纳米片首先在高岭土细丝内同轴排列，然后通过调节每层的细丝间距将其排列成GB结构骨架。之后，通过进一步烧结骨架和聚合物渗透获得仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料。作者系统地评估了不同结构元素（纳米片排列、聚合物相、陶瓷丝的Bouligand排列和成分的梯度分布）对所得陶瓷-聚合物复合材料性能改进的预期结果。结果表明，与非结构和单一结构相比，GB结构复合材料表现出显着改善的动态抗冲击性。该论文以题为“Biomimetic Gradient Bouligand Structure Enhances Impact Resistance of Ceramic-Polymer Composites”发表在Advanced Materials上。

图1. 仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的制造

仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的机械性能

作者首先探究了纳米片的取向对陶瓷骨架机械性能的影响。与用纯高岭土或无序氧化铝-高岭土复合材料制造的陶瓷相比，对齐的氧化铝纳米片赋予陶瓷更强的弯曲强度和模量。随后，使用低速落锤冲击试验来评估长丝间距和聚合物类型与所得复合材料的抗冲击性之间的关系。结果发现，长丝间距Δd = 0.2的GB-PC复合材料的峰值力(~1342.8 N)高于所有其他组(P < 0.05)。以PC为聚合物相，作者在相同条件下研究了ORT（正交结构）、BOU（单一Bouligand结构）和GB三种结构复合材料的抗冲击性能。结果表明，GB-PC复合材料与所有其他结构复合材料相比显示出最高的峰值力，陶瓷-聚合物复合材料的梯度和Bouligand结构设计可以有效提升抗冲击性能。此外，与不含氧化铝的GB-PC复合材料相比，高岭土陶瓷基体中同轴排列的氧化铝纳米片可以有效增强GB-PC复合材料的抗冲击性。作者还认为在 GB 复合材料中引入梯度结构可以通过钝化弹丸尖端来有效降低冲击速度，进而赋予材料更强的抗冲击性能。

图2. 仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的机械性能

仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的抗冲击机制

在高速摄像机拍摄的图片中，ORT复合材料在冲击载荷下从加载点沿正交长丝方向向边缘发出灾难性裂纹，并分裂成四块，相比之下，BOU和GB复合材料均保持其结构完整性。复合材料的底部聚合物层可以有效地阻止扩展的裂缝并截住陶瓷碎片。在微CT扫描下，BOU复合材料的裂纹分布区域大于GB复合材料的裂纹分布区域。同时，裂纹在BOU复合材料内部是从上到下延伸，而在GB复合材料的内部，则主要分布在上半部分。作者认为这可能是由于梯度结构所引起的底部聚合物层的阻塞效应。在光学显微镜下，裂纹首先发生在顶层硬质陶瓷上，随后沿陶瓷和聚合物之间的界面传播，并分叉以消散外部载荷。裂纹在聚合物层内停止传播。此外，裂纹可以沿着厚度方向旋转排列的陶瓷丝延伸，导致扭曲的裂纹偏转模式。作者认为这是因为小角度扭曲的Bouligand结构可以赋予复合材料高损伤容限。

图3. 仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的抗冲击机制分析

图4. 仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的有限元模拟

结论：作者在此提出了一种将梯度结构与扭曲夹板结构Bouligand耦合的仿生结构设计策略，试图提高陶瓷-聚合物复合材料的抗冲击性。实验研究表明，将梯度结构结合到Bouligand结构中可以提高陶瓷-聚合物复合材料的峰值力和总能量吸收。这种仿生设计策略可能为未来开发轻质和抗冲击结构材料提供有价值的见解。

--纤维素推荐--

--测试服务--

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！