現(xiàn)代工業(yè)對防護結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計提出了多維度的性能要求。在實現(xiàn)輕量化的同時，必須兼顧優(yōu)異的力學(xué)性能，并針對不同應(yīng)用場景需要具有特殊功能。例如，通信設(shè)備的外部防護殼體需兼具出色的機械性能與優(yōu)異的透波性能；軍事裝備的防護體系則要求在保障力學(xué)性能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)光學(xué)偽裝功能。自然界中的生物鎧甲通過相應(yīng)的設(shè)計策略既保持防御所需的機械強度，又能實現(xiàn)與周圍環(huán)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(jié)構(gòu)展現(xiàn)出遠超組成成分的斷裂韌性，為人工材料設(shè)計提供了重要的仿生啟示。然而，如何將這種自然界結(jié)構(gòu)設(shè)計有效應(yīng)用于工程材料體系，特別是在具有優(yōu)異力學(xué)性能的前提下實現(xiàn)功能集成，仍然是亟待解決的一個瓶頸。
 

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊在《先進材料》(Advanced Materials)上刊發(fā)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(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計的仿珍珠母復(fù)合材料。該復(fù)合材料不僅具備獨特的顏色可調(diào)性和優(yōu)異的透波性能，同時實現(xiàn)了輕量化、高強度、高韌性以及出色的抗沖擊性能。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生龐俊、南方科技大學(xué)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(fù)合材料的雙氧化物設(shè)計策略示意圖。
 

　　研究團隊提出了一種雙氧化物界面設(shè)計策略，通過自蒸發(fā)組裝與高溫?zé)Y(jié)的方式制備出了新型仿珍珠母氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料(圖1)。該設(shè)計策略通過構(gòu)建氧化鋁微米片之間的礦物橋結(jié)構(gòu)顯著提升了機械強度和韌性(圖2a和b)，同時利用固相反應(yīng)調(diào)控組裝微米片界面化學(xué)成分實現(xiàn)了可控著色(圖2c)。研究結(jié)果表明，這種仿生復(fù)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(fù)合材料的多尺度結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及透波性能。(a)仿珍珠母復(fù)合材料的“磚-泥”結(jié)構(gòu)；(b)仿珍珠母復(fù)合材料的礦物橋結(jié)構(gòu)；(c)氧化鋁微米片上的納米級顯色鈷鋁尖晶石結(jié)構(gòu)；(d)仿珍珠母復(fù)合材料的斷裂韌性；(e)仿珍珠母復(fù)合材料的抗沖擊性能；(f)仿珍珠母復(fù)合材料的力學(xué)強度和介電常數(shù)，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(guān)注珍珠母仿生結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的調(diào)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(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了一種電磁波傳輸設(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了力學(xué)性能與透波性能的協(xié)同增強(圖2f)。
 

　　這項研究在仿生結(jié)構(gòu)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(shè)計策略為機械性能和功能特性的整合提供了一個設(shè)計理念平臺，為研發(fā)兼具隱身與防護性能的仿生層狀結(jié)構(gòu)材料提供指導(dǎo)。
 

　　該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、新基石研究員項目、國家自然科學(xué)基金重大項目、安徽省重大基礎(chǔ)研究項目等資助，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的支持。