研究人员从海胆结构中汲取灵感以制造更坚固的陶瓷泡沫

2022-11-01 11:00:00来源：盖世汽车关键词：陶瓷材料新型材料阅读量：23910

导读：海胆的外骨骼是一种多孔固体(或“泡沫”)，从微观结构上看，由具有实心边缘或表面的开放式细胞构成，细胞之间的间隙使其变成多孔结构，从而生成一种比致密结构更具机械效率的材料。

　　据外媒报道，弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)的研究人员解开了海胆外骨骼多孔微结构中的奥秘，或将有助于制造轻质合成陶瓷。

　　陶瓷具有高耐热性，是高速车辆的首选。因为在高速运行时，压缩空气会跟车辆之间产生强烈摩擦，导致热量迅速上升。但是，陶瓷的耐损性较差，尤其当陶瓷被制成多孔结构以减轻重量时。

　　为了提高陶瓷材料的机械性能，研究人员利用由海胆等生物形成的天然陶瓷多孔固体，探讨新的设计原理。海胆的外骨骼是一种多孔固体(或“泡沫”)，从微观结构上看，由具有实心边缘或表面的开放式细胞构成，细胞之间的间隙使其变成多孔结构，从而生成一种比致密结构更具机械效率的材料。

　　如何像海胆一样应对外部损害

　　在这项研究中，研究人员发现了一些关键要素，使海胆既坚固又有韧性，同时可以通过多孔微结构来减轻重量。

　　海胆的刺坚硬、结实、重量轻，由一种名为碳酸钙的脆性矿物构成。这种矿物类似于合成陶瓷，但在承受重量或力量时，海胆的容忍度要高得多。该研究团队模拟工程陶瓷可能要承受的外部条件，通过机械挤压海胆刺来进行测试。相比之下，海胆刺在外施加力下会优雅地变形，而目前合成的陶瓷多孔固体则破损严重。由此可见，海胆刺具有显著的能量吸收能力，对损害具有耐受性。

　　深层结构特征

　　在研究过程中，该团队发现了使海胆在机械加载过程中保持完整的奥秘。该校机械工程系的助理教授Ling Li表示：“海胆刺的结构特征，一是与分支连接有关，其次在于孔的大小。”

　　在显微镜下，该团队观察到相互连接的短分支结构。由节点构成的网络，将这些分支连接在一起。海胆耐损性的秘密之一在于，节点和分支的数量之间保持平衡。这个数字非常关键，因为节点上的连接分支过多，会导致结构变得脆弱、易碎。

　　第二个秘密在于分枝之间的空隙或孔隙的大小。研究人员发现，海胆刺的多孔结构中的缝隙仅略小于分枝的大小。这意味着，一旦分枝断裂，可以立即被这些较小的开口锁定。断裂的分枝在孔隙上相互堆叠，形成一个密集的区域，仍能承受负载。

　　另外，海胆的表面形态很光滑，不像合成陶瓷那样有许多微观缺陷，可能导致损坏。海胆刺的表面几乎像玻璃，可达到纳米级光滑水平。

　　由于具有分支、孔隙和光滑的表面，海胆刺的重量较轻，可以均匀分布结构内部的应力，更加有效地吸收能量，从而实现高强度和损害容忍能力。

　　制造下一代陶瓷

　　研究人员表示，由于目前的加工方法还不太成熟，这些发现还无法应用于制造陶瓷。

　　合成陶瓷通常是通过塑形和烧制两个步骤而制成。在烧制过程中会形成微观缺陷，导致材料强度较低。因此，重建海胆的微观结构比较困难。Li表示：“希望有一天，不仅可以将这些材料设计原理整合到受生物启发的轻质陶瓷材料中，还可以从自然系统中学到材料加工策略。”

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