受珍珠母啓發 中國科大科學家制備出高強韌仿生陶瓷-金屬複合材料

中安在線、中安新聞客戶端訊　記者3月10日從中國科大獲悉，中國科學技術大學俞書宏院士團隊提出了一種基於可變形微球有序組裝，製備高性能仿珍珠母陶瓷-金屬複合材料的新策略。該材料兼具高抗彎強度與高斷裂韌性，且可通過簡易工藝實現大規模、多形狀定製化生產，爲仿珍珠母結構複合材料走向實用化提供了新路徑。相關研究成果發表於2025年第三期《國家科學評論》。

貝類動物進化出的堅硬外殼像盔甲一樣保護柔軟的身體。科學家發現，這層外殼的奧秘之一在於內部的珍珠母結構——這種天然材料由無數碳酸鈣薄片（類似“磚塊”）與少量蛋白質（類似“水泥”）像砌牆般層層堆疊而成。這種層次分明的結構讓珍珠母在受到外力時，在保持高強度的同時，能夠極大的耗散能量，即使組成材料本身並不特別堅固，組合後卻產生了1+1>2的防護效果。受此啓發，科研人員模仿珍珠母結構製備出了更輕更堅固複合材料，有望應用於防彈衣和航天材料。但要實現這類材料的大規模生產並精確控制形狀，目前仍是技術難題。

俞書宏研究團隊打破傳統的“磚泥”分步製備思路，採用“一步乳液法”：首先製備了尺寸可調的氧化鋁微球，經過篩後得到粒徑一致的微球，並在其表面包裹鎳鹽層；進一步通過模具組裝和熱壓燒結，在此過程中修飾後的複合微球被壓扁成片狀陶瓷，金屬鎳層則形成分隔結構，精準地復刻了天然珍珠母的微觀“磚泥”結構。

結構表徵顯示，該材料在多個尺度上得到了優化。在宏觀層面，氧化鋁陶瓷片與金屬鎳層交替排列。在微觀層面，鎳顆粒滲入陶瓷片內部增強韌性，同時，兩相界面結合緊密。這種跨尺度協同效應使優化後的複合材料在高低溫下均表現出較高的抗彎強度和斷裂韌性。實驗時，團隊發現所製備的仿珍珠母複合材料在受力發生破壞時，裂紋會沿陶瓷-金屬界面發生偏轉，通過能量耗散避免瞬間失效，這一特性使其在極端環境如航天器熱防護、高速衝擊防護塗層中極具應用潛力。

這項研究是繼該團隊實現人工合成珍珠母工作的基礎上，進一步將仿珍珠母結構設計理念拓展至陶瓷-金屬複合材料體系，並與快速塑形制備技術相結合，爲助力仿生結構材料從實驗室走向實用化邁出了關鍵一步。（記者　汪喬）