先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料已在航空航天、建筑和汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其性能需同時(shí)滿足輕質(zhì)、高強(qiáng)度以及優(yōu)異的韌性。通過模仿珍珠母高度有序的“磚-泥”結(jié)構(gòu)并引入礦物橋增強(qiáng)機(jī)制，可制備出兼具強(qiáng)度與韌性的高性能仿生結(jié)構(gòu)材料。隨著多功能應(yīng)用需求的日益增長(zhǎng)，這些材料還需具備其他功能以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境變化。例如，在某些易燃場(chǎng)景中，失控火災(zāi)產(chǎn)生的高溫可能會(huì)顯著削弱結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能，從而增加設(shè)備故障或結(jié)構(gòu)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。然而，仿生復(fù)合材料中有機(jī)成分固有的熱穩(wěn)定性限制了其整體高溫性能。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，通常需要引入火災(zāi)報(bào)警和阻燃系統(tǒng)，但系統(tǒng)的復(fù)雜性增加將會(huì)影響其可靠性。因此，開發(fā)兼具主動(dòng)早期火災(zāi)預(yù)警和被動(dòng)阻燃的多功能結(jié)構(gòu)材料具有重要的實(shí)際意義。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)提出了一種將原子摻雜設(shè)計(jì)與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的策略，制備出具有機(jī)械魯棒性、熱致變色特性和阻燃功能的仿珍珠母氧化鋁-氰酸酯復(fù)合材料。相關(guān)成果以“A nacre-inspired structural material with thermochromic properties and mechanical robustness by atomic-level design”為題發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生龐俊、博士后王澤宇和博士生宋濤為論文共同第一作者，俞書宏為通訊作者。
 

圖1.原子級(jí)摻雜策略與仿生復(fù)合材料制備示意圖。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過可控的固溶反應(yīng)合成了鉻摻雜的氧化鋁微米片，并將其作為仿珍珠母結(jié)構(gòu)中的“磚”(圖1和圖2a-c)。這些微米級(jí)組裝基元表現(xiàn)出獨(dú)特的可逆熱致變色特性。同時(shí)，該原子級(jí)摻雜策略同步實(shí)現(xiàn)了固溶強(qiáng)化效應(yīng)，與仿珍珠母多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)同作用(圖1)，使仿生復(fù)合材料具有高彎曲強(qiáng)度(~290.1MPs)和高斷裂韌性(~11.1MPa m1/2)的機(jī)械性能(圖2d)。通過基于機(jī)器學(xué)習(xí)的K-means模型的圖像識(shí)別技術(shù)，仿生復(fù)合材料在250℃時(shí)的響應(yīng)時(shí)間為9秒，適用于早期火災(zāi)預(yù)警(圖2e)。此外，高度有序的“磚-泥”結(jié)構(gòu)有效阻礙了氧氣的傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了50%的極限氧指數(shù)，從而賦予了仿生復(fù)合材料優(yōu)異的阻燃性能(圖2e)。該仿生復(fù)合材料在保持優(yōu)異機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，通過集成早期火災(zāi)主動(dòng)預(yù)警與被動(dòng)式阻燃雙重功能，構(gòu)建了主動(dòng)-被動(dòng)協(xié)同防護(hù)體系，從而使其成為兼具結(jié)構(gòu)承載與智能防護(hù)功能的多功能材料，在智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。
 

　　圖2.(a)氧化鋁微米片截面透射電鏡元素分布圖；(b)聚焦離子束技術(shù)沿著(006)晶面對(duì)鉻摻雜的氧化鋁微米片進(jìn)行精確加工；(c)鉻摻雜的氧化鋁微米片原子級(jí)透射電鏡元素分布圖；(d)仿生復(fù)合材料機(jī)械性能的Ashby圖；(e)仿生復(fù)合材料的主動(dòng)早期火災(zāi)預(yù)警與被動(dòng)防火阻燃功能示意圖。

 

　　這項(xiàng)工作展示了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)早期火災(zāi)預(yù)警和被動(dòng)阻燃協(xié)同作用機(jī)制，為復(fù)雜惡劣環(huán)境下新一代智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的高性能結(jié)構(gòu)材料開發(fā)提供了一種嶄新的途徑。
 

　　該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、安徽省重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目以及新基石研究員項(xiàng)目等資助。