仿生學是一門古老而交叉的學科。上從翱翔萬里的鷹隼，化身日行千里的C919；下至魚翔淺底的魔鬼魚，搖身深度求索的潛水器。同樣的，大自然也為我們的陶瓷材料設計領域提供了精妙的參考作品。這是一種以殼為家的生物，歷經反復的海浪沖刷而依舊堅固，暢游海底，這就是貝殼。今天我們就來選取貝殼外殼結構之一的珍珠層，介紹其結構力學特性和其仿生氧化鋁陶瓷制備案例！

一、強度與韌性兼備

珍珠層是由文石片和微量有機質經生物自組裝形成的一種優異的天然納米無機-有機復合材料。它的抗破裂能力比無機成因的文石要高出3000倍以上，如此優異的力學性能與珍珠層的有機質和文石的擇優取向有關。珍珠層在形變和斷裂過程中，有機基體與相鄰的文石層彼此粘合、降低了裂紋尖端的應力場強度因子，增大了裂紋的擴展阻力，從而提高了材料的韌性[1]。以珠母珍珠貝珍珠層為例，其楊氏模量為60-70 GPa（與玻璃相當），抗張強度為140-170 MPa（與普通碳鋼相當），斷裂韌性為3-5 MN/m^3/2[2]。

珍珠層（左）和礦物文石（右）

二、微波起伏和片層自鎖結構

珍珠層中的文石片片層結構的掃描照片如下圖所示，從圖片中看出文石片之間并不是規則的直線排布的方式，而是在層與層之間有微波起伏的結構，由于這種層狀結構是由生物體自組裝而成，所以在層與層之間這種微波起伏的結構可以達到完美的結合，當材料受到橫向力的作用的時候，這種結構會使材料的橫向滑移受阻，阻礙材料的橫向運動。

文石片表面的微波紋起伏結構

文石片的“自鎖”結構與微波起伏結構相類似，都是文石片層間阻礙相對運動的結構。如下圖所示為文石片自鎖結構的模型示意圖，在上下文石片間層通過相互錯開的結構形成互鎖，當材料受到橫向外力作用時，這種層間自鎖結構可使得上下文石片層間的相對滑移增加，從而起到了增強增韌的作用[3]。

文石片層間“自鎖”結構

橫向上的微波起伏結構，有利于緩沖橫向滑移力；縱向上層層堆疊自鎖的結構，則增強了其斷裂韌性。

三、Al合金/Al₂O₃疊層復合仿生陶瓷材料設計

如此這般受到珍珠層結構組成的啟發后，研究人員也開始從材料堆疊工藝和多孔浸入材料兩方面嘗試設計具備仿生結構的陶瓷材料。下面我們就來學習一個珍珠層仿生氧化鋁陶瓷材料制備的案例。

研究人員首先通過冷凍干燥法制備Al₂O₃多孔陶瓷基本骨架，作為仿貝殼珍珠層結構的文石片層結構。

不同方向上的氧化鋁多孔陶瓷的掃描電鏡照片

冷凍干燥法制備多孔陶瓷屬于濕法成型技術, 是利用物理方法冷凍或凝固陶瓷懸浮液(或漿料)、減壓干燥排除凝固相(溶劑)從而獲得多孔陶瓷的一種新型制備技術。冷凍干燥技術一般由四個基本步驟組成, 包括陶瓷漿料的制備、冷凍(或固化)、凝固相升華(真空或低壓)以及多孔坯體燒結(陶瓷壁致密化)。其原理圖如下圖所示。在陶瓷漿料中，陶瓷顆粒被不斷形成的冰晶擠壓推排在冰晶兩側，這樣就形成了片體的疊層多孔結構，直至全部漿料凝固成型。凝固后，將冰晶在低溫和負壓條件下升華，再通過高溫反應燒結即得到多孔陶瓷結構。

冷凍干燥法四個基本步驟: 漿料的制備、冷凍、升華和燒結[4]

隨后，研究人員結合有壓浸滲工藝，向多孔陶瓷骨架中滲入鋁合金，得到仿貝殼珍珠層結構的Al合金/Al₂O₃疊層復合材料。

有壓滲透實驗原理圖

步驟：將熔融態的鋁合金溶液倒入浸滲爐中，并持續加熱，將事先準備好的模具和氧化鋁多孔陶瓷放好，并加壓30 MPa，保溫30min，浸滲實驗結束后，讓試樣隨爐冷卻，得到Al合金/Al₂O₃疊層復合材料。

最終制備得到的Al合金/Al₂O₃多孔陶瓷的彎曲強度達到383 MPa，平均斷裂韌性為9.8 MN/m^3/2，縱向抗壓強度為636 MPa。

Al合金/Al₂O₃符合材料的CT檢測圖像

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參考資料

[1] 文石，中國石油大學地球科學與技術學院，顏世永

[2] Comparison of nacre with other ceramic composites, A. P. JACKSON*, J. F. V. VINCENT

[3] 仿貝殼珍珠層結構疊層Al/Al2O3復合材料制備及性能測試，哈爾濱工業大學，王道暢

[4] Freeze-casting of porous ceramics: A review of current achievements and issues, DEVILLE S.

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