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科學家成功地創(chuàng)制出一種新型的輕質(zhì)高強仿生非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)納米復合材料

2022-04-07 09:33:55來源:科技日報

6日,記者從中國科學技術(shù)大學獲悉,該校俞書宏院士團隊首次提出了非連續(xù)布利岡(Bouligand)結(jié)構(gòu)的設(shè)想,并發(fā)展了一種程序化組裝納米纖維的方法,成功地創(chuàng)制出一種新型的輕質(zhì)高強仿生非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)納米復合材料,實現(xiàn)了非連續(xù)纖維橋連和布利岡構(gòu)造誘導裂紋偏轉(zhuǎn)的協(xié)同增韌。該成果為研制高能結(jié)構(gòu)材料提供了新的組裝方法。相關(guān)論文日前發(fā)表在國際期刊《物質(zhì)》上。

布利岡結(jié)構(gòu)由單向納米纖維片層螺旋堆疊構(gòu)成,在骨、魚鱗、龍蝦殼等多種生物材料中廣泛存在,是一種典型的纖維增強結(jié)構(gòu),直接決定這些生物材料的卓越力學能。然而,蘊藏在自然布利岡結(jié)構(gòu)中的智慧仍未得到充分開發(fā)和運用,已實現(xiàn)的仿生布利岡結(jié)構(gòu)與自然布利岡結(jié)構(gòu)相比,無論在結(jié)構(gòu)層級還是結(jié)構(gòu)精度方面都相差甚遠。

研究人員基于所開發(fā)的有序組裝納米纖維基元的程序化裝置,以環(huán)境友好的硬硅鈣石納米纖維和海藻酸鈉為原料,通過螺旋組裝硬硅鈣石納米纖維于海藻酸鈉基體中,并結(jié)合溶膠—凝膠—薄膜轉(zhuǎn)變過程,成功制備了非連續(xù)布利岡結(jié)構(gòu)納米復合材料。實驗表明,該材料展現(xiàn)了卓越的力學能,優(yōu)于許多如魚鱗片、層狀骨、蟹螯等天然布利岡結(jié)構(gòu)材料以及仿生布利岡結(jié)構(gòu)類似物和部分工程纖維復合材料。進一步通過斷口微結(jié)構(gòu)分析與理論模擬發(fā)現(xiàn),該材料表現(xiàn)出裂紋偏轉(zhuǎn)和纖維橋連增韌機制。

這種仿生納米復合材料具有廣泛的應用前景,可作為高損傷容忍能的骨修復材料等,對于今后開發(fā)新型納米纖維復合材料、提升傳統(tǒng)纖維增強復合材料的能具有重要的指導意義。

關(guān)鍵詞: 輕質(zhì)高強 納米復合材料

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