兰州化物所突破陶瓷材料瓶颈 仿生竹子贝壳“既硬又韧还抗裂”

　　近日，中国科学院兰州化学物理研究所兰州润滑材料与技术创新中心的研究人员，在高性能陶瓷材料领域取得了重要进展。他们受到自然界贝壳珍珠母和竹木结构的启发，成功研发出一种新型仿生复合陶瓷材料，实现了陶瓷材料强度、韧性和耐损伤性能的显著提升。这项研究成果发表在国际知名期刊《今日材料》上。

　　陶瓷材料以其高强度和高模量，一直被视为高端装备制造中关键部件的理想选择。然而，陶瓷材料固有的脆性一直是制约其广泛应用的关键难题。如何克服陶瓷的脆性，使其像自然界中的珍珠母、骨骼、竹木等生物材料一样，兼具高强度、高韧性和良好的损伤容限，是科学家们长期以来追求的目标。

　　兰州化物所的研究团队从珍珠母和竹木的精细结构中获得灵感，设计出具有仿生层状、层状梯度和纤维独石结构的复合陶瓷。通过巧妙地控制陶瓷内部的结构和界面，引导裂纹扩展的方向，从而增强了陶瓷材料的韧性。研究人员借鉴竹木的多取向梯度分布结构，创造性地设计出一种“强—弱—强”的纤维双界面结合的梯度多级结构体系。这种创新设计使得陶瓷材料在微观和宏观层面都具有了裂纹交互作用和外部增韧机制，最终实现了高强度、高韧性和优异损伤容限的完美结合。

　　实验结果表明，这种新型仿生复合陶瓷的抗裂纹扩展能力大幅提升，是传统氧化铝陶瓷的近5倍。刷新了仿生复合陶瓷耐损伤性能的记录。这种陶瓷更不容易产生裂纹，即使产生裂纹，也能更好地承受损伤而不至于立刻断裂。这种仿生复合陶瓷甚至可以承受多次循环加载，依然保持渐进性失效的特点，后续循环的最大承载能力仍能保持在前一个循环的85%以上。

　　这种集高强度、高韧性和高耐损伤于一体的仿生复合陶瓷，突破了传统陶瓷材料的性能瓶颈，在航空航天、先进制造、能源装备等高技术领域具有广阔的应用前景。（记者 张云文）