陶瓷材料具有高剛度、高強度等特性，但是較低的任韌性限制了其進一步發展。生物結構材料基于異相多級結構和梯度界面成鍵的方式，能夠非常巧妙的將各種相互不兼容的機械性質在相同材料中實現結合。然而大多數最先進的仿生結構材料仍然無法滿足多種所需特性的整合。主要限制是缺乏有效的處理技術來實現復雜的層次結構控制，導致精細結構的構造和大批量制造之間的沖突仍然是這些異質仿生材料的主要障礙。

基于此，中國科學技術大學俞書宏院士/高懷嶺教授團隊受鮑魚殼結構啟發提出了一種簡單且可擴展的自下而上組裝方法來制造具有異質結構的仿生陶瓷樹脂復合材料，實現相互排斥的機械性能集于一身的特點（圖1）。通過結合連續納米纖維輔助蒸發誘導自組裝工藝，進一步層壓無壓燒結和樹脂滲透程序，異質珍珠質陶瓷樹脂復合材料具有局部可調的微觀結構和性能，并且可批量制造。這些優勢賦予它一種很有前途的結構材料，可用于復雜場景下的實際應用。該研究以題為“Scalable Manufacturing of Mechanical Robust Bio-Inspired Ceramic-Resin Composites with Locally Tunable Heterogeneous Structures”的論文發表在最新一期《Advanced Materials》上。

【異質結構的設計與力學性能】

這種受珍珠層啟發的陶瓷樹脂復合材料有著有堅固堅韌的珍珠質主體和堅硬的外表面，它們通過梯度夾層連接以緩解性能不匹配的缺點。因此，它不僅在準靜態加載條件下表現出低密度、高強度、剛度、韌性和硬度，在動態條件下具有出色的抗沖擊性能，優于工程氧化鋁陶瓷。形成梯度變化的層結構，很好的緩解了其結構不匹配的問題。優化條件后制備的材料具有珍珠結構，實現了低密度（2.8 g cm-3）、高強度（292 MPa）、韌性（6.4 MPa m1/2）、表面硬度（1144 kgf mm-2），性能比工程氧化鋁的性能更好（圖2和3）。這種材料的研發為發展先進的結構/功能擬生物異質材料提供了一種新的策略。

圖1 珍珠質復合材料的大規模制造

圖2. 靜態力學性能

圖3. 異質結構設計和表征

【優異的抗沖擊強度】

在實際使用中，結構材料不僅經常遇到準靜態載荷情況，而且還經常遇到動態載荷情況，因此必須評估其在低/高速沖擊下的抗沖擊性。在沖擊測試中，均勻的類珍珠質陶瓷樹脂復合材料在峰值力和總吸收能量方面均具有提高，進一步證實了珍珠層啟發的分層結構在強化和增韌方面的有效作用（圖4）。在彈道沖擊試驗中，只有異質復合材料保持其結構完整性，而均相復合材料和工程氧化鋁則表現出明顯的碎裂現象。高速相機拍攝的照片顯示鋁制彈丸在接觸到異質復合材料后發生了劇烈形變，異質復合組鋁彈塑性變形程度明顯大于均質復合組。金屬彈丸的較大塑性變形消耗了更多能量，反過來，減少了受影響材料需要吸收的能量。此外，由于彈丸變形較大，沖擊時的接觸面積增大，會分散沿面內方向的局部應力集中。因此，異質復合材料表現出更好的抗彈道沖擊性能。

圖4. 動態沖擊力學性能研究

總結：作何通過提出一種簡單的自下而上的方法制備出一種具有可調異質結構的珍珠質陶瓷樹脂復合材料。所獲得的異質類珍珠質陶瓷-樹脂復合材料在準靜態和動態力學性能方面均優于其均質版本和工程氧化鋁。這項工作中提出的方法有望為工業規模的各種工程應用開發出具有有新型結構的功能性材料。