【儀表網 研發快訊】現代工業對防護結構材料的設計提出了多維度的性能要求。在實現輕量化的同時，必須兼顧優異的力學性能，并針對不同應用場景需要具有特殊功能。例如，通信設備的外部防護殼體需兼具出色的機械性能與優異的透波性能；軍事裝備的防護體系則要求在保障力學性能的基礎上實現光學偽裝功能。自然界中的生物鎧甲通過相應的設計策略既保持防御所需的機械強度，又能實現與周圍環境色度匹配的偽裝效果。其中，珍珠母憑借其精密的多級微觀結構展現出遠超組成成分的斷裂韌性，為人工材料設計提供了重要的仿生啟示。然而，如何將這種自然界結構設計有效應用于工程材料體系，特別是在具有優異力學性能的前提下實現功能集成，仍然是亟待解決的一個瓶頸。
 

　　近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊在《先進材料》(Advanced Materials)上刊發了以“Mechanical robust nacre-mimetic composites with designable cryptic coloration andelectromagneticwave-transparent performance”為題的研究成果，報道了一種結構功能一體化設計的仿珍珠母復合材料。該復合材料不僅具備獨特的顏色可調性和優異的透波性能，同時實現了輕量化、高強度、高韌性以及出色的抗沖擊性能。中國科學技術大學博士研究生龐俊、南方科技大學博士后張振邦和我校博士后王澤宇為論文共同第一作者。俞書宏院士與高懷嶺特任教授為通訊作者。
 

圖1.仿珍珠母復合材料的雙氧化物設計策略示意圖。
 

　　研究團隊提出了一種雙氧化物界面設計策略，通過自蒸發組裝與高溫燒結的方式制備出了新型仿珍珠母氧化鋁陶瓷基復合材料(圖1)。該設計策略通過構建氧化鋁微米片之間的礦物橋結構顯著提升了機械強度和韌性(圖2a和b)，同時利用固相反應調控組裝微米片界面化學成分實現了可控著色(圖2c)。研究結果表明，這種仿生復合材料的斷裂韌性(~12.2 MPa m1/2)是商用氧化鋁陶瓷的3倍多以上(圖2d)；其吸收的沖擊能量達到商用氧化鋁陶瓷的4倍以上(圖2e)。
 

　　圖2.仿珍珠母復合材料的多尺度結構、力學性能及透波性能。(a)仿珍珠母復合材料的“磚-泥”結構；(b)仿珍珠母復合材料的礦物橋結構；(c)氧化鋁微米片上的納米級顯色鈷鋁尖晶石結構；(d)仿珍珠母復合材料的斷裂韌性；(e)仿珍珠母復合材料的抗沖擊性能；(f)仿珍珠母復合材料的力學強度和介電常數，及其與一系列聚合物和陶瓷的Ashby圖對比分析。
 

　　此前的研究主要關注珍珠母仿生結構對力學性能的調控作用，而忽略了其對電磁波傳輸特性方面的影響。研究團隊基于珍珠母結構的啟發，提出了一種電磁波傳輸設計理念，其高效透波性能來源于層狀陶瓷框架與低介電常數聚合物形成的微米級透波通道、無定形二氧化硅礦物橋以及單晶氧化鋁微米片的光軸垂直取向。因此，該結構設計實現了力學性能與透波性能的協同增強(圖2f)。
 

　　這項研究在仿生結構材料的機械魯棒性、色彩偽裝功能和透波功能的多性能集成方面取得了重要進展。這種雙重效益的設計策略為機械性能和功能特性的整合提供了一個設計理念平臺，為研發兼具隱身與防護性能的仿生層狀結構材料提供指導。
 

　　該研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項、新基石研究員項目、國家自然科學基金重大項目、安徽省重大基礎研究項目等資助，以及中國科學技術大學微納研究與制造中心的支持。