貝類軟體動物擁有堅固的保護外殼，這得益于其內部精妙的珍珠母結構。這種天然的納米復合材料，由微米尺度的文石片（“磚”）與少量有機質（“泥”），通過“磚泥堆砌”的方式巧妙地結合而成。這種跨尺度序構特征賦予了珍珠母出色的強度和韌性，使其在受到外力時能夠有效地吸收和分散能量，展現出超越其單一組分的卓越力學性能，有望應用于輕量化結構復材、防護裝備等領域。然而，要實現大尺寸、形狀可控的生產，并滿足復雜的工程需求，仍面臨諸多技術挑戰。

2025年3月，《國家科學評論》（National Science Review）以“Scalable and shapable nacre-like ceramic-metal composites based on deformable microspheres”為題，刊發中國科學技術大學俞書宏院士團隊最新研究成果，報道了一種基于可變形微球有序組裝制備高性能仿珍珠母陶瓷—金屬復合材料的新策略。該材料兼具高抗彎強度與高斷裂韌性，且可通過簡易工藝實現大規模、多形狀定制化生產，為仿珍珠母結構復合材料走向實用化提供了新路徑。

圖1.仿珍珠母陶瓷—金屬復合材料的制備流程示意圖。分別依次經過乳化、過篩、表面修飾和熱壓燒結步驟，最終制備成型。

研究團隊打破傳統的“磚泥”分步制備思路，采用“一步乳液法”首先制備了尺寸可調的氧化鋁微球，經過篩后得到粒徑一致的微球并在其表面包裹鎳鹽層，進一步通過模具組裝和熱壓燒結，在此過程中修飾后的復合微球被壓扁成片狀陶瓷，金屬鎳層則形成分隔結構，精準地復刻了天然珍珠母的微觀“磚泥”結構（圖1）。結構表征顯示，該材料在多個尺度上得到了優化。在宏觀層面，氧化鋁陶瓷片與金屬鎳層交替排列（圖2a）。在微觀層面，鎳顆粒滲入陶瓷片內部增強韌性（圖2b），同時，兩相界面結合緊密（圖2c）。這種跨尺度協同效應使優化后的復合材料在室溫下抗彎強度達到386 MPa，600°C高溫下仍保持286.86 MPa(圖2d)。其斷裂韌性更突破至12.76 MPa·m1/2（室溫）與12.99 MPa·m1/2（高溫）（圖2e）。所制備的仿珍珠母復合材料在受力發生破壞時，裂紋會沿陶瓷-金屬界面發生偏轉，通過能量耗散避免瞬間失效，這一特性使其在極端環境（如航天器熱防護、高速沖擊防護涂層）中極具應用潛力。

圖2.仿珍珠母陶瓷—金屬復合材料的多尺度結構及高低溫力學性能。（a）拋光后的仿珍珠母陶瓷金屬復合材料的掃描電鏡照片；（b）金屬鎳滲入到陶瓷片層中的掃描電鏡照片；（c）金屬鎳和陶瓷界面的高分辨透射電鏡照片；（d）不同陶瓷片大小的復合材料在高低溫下的裂紋擴展過程R曲線；（e）不同陶瓷片大小的復合材料在高低溫下的彎曲強度。

這項研究是繼該團隊實現人工合成珍珠母工作的基礎上（Science2016,354,107），進一步將仿珍珠母結構設計理念拓展至陶瓷—金屬復合材料體系，并與快速塑形制備技術相結合，為助力仿生結構材料從實驗室走向實用化邁出了關鍵一步。

中國科學技術大學碩士研究生陸宇杰、博士后孟祥森為論文共同第一作者。我校俞書宏院士和茅瓅波特任教授為通訊作者。該研究得到了中國科學院戰略性先導研究計劃、新基石研究員項目、國家自然科學基金、安徽省重大基礎研究計劃和中國博士后科學基金會等資助。

論文鏈接：https://academic.oup.com/nsr/article/12/3/nwaf006/7964895

來源：中國科學技術大學

原文鏈接：https://news.ustc.edu.cn/info/1055/90777.htm

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