仿生学是一门古老而交叉的学科。上从翱翔万里的鹰隼，化身日行千里的C919；下至鱼翔浅底的魔鬼鱼，摇身深度求索的潜水器。同样的，大自然也为我们的陶瓷材料设计领域提供了精妙的参考作品。这是一种以壳为家的生物，历经反复的海浪冲刷而依旧坚固，畅游海底，这就是贝壳。今天我们就来选取贝壳外壳结构之一的珍珠层，介绍其结构力学特性和其仿生氧化铝陶瓷制备案例！

一、强度与韧性兼备

珍珠层是由文石片和微量有机质经生物自组装形成的一种优异的天然纳米无机-有机复合材料。它的抗破裂能力比无机成因的文石要高出3000倍以上，如此优异的力学性能与珍珠层的有机质和文石的择优取向有关。珍珠层在形变和断裂过程中，有机基体与相邻的文石层彼此粘合、降低了裂纹尖端的应力场强度因子，增大了裂纹的扩展阻力，从而提高了材料的韧性[1]。以珠母珍珠贝珍珠层为例，其杨氏模量为60-70 GPa（与玻璃相当），抗张强度为140-170 MPa（与普通碳钢相当），断裂韧性为3-5 MN/m^3/2[2]。

珍珠层（左）和矿物文石（右）

二、微波起伏和片层自锁结构

珍珠层中的文石片片层结构的扫描照片如下图所示，从图片中看出文石片之间并不是规则的直线排布的方式，而是在层与层之间有微波起伏的结构，由于这种层状结构是由生物体自组装而成，所以在层与层之间这种微波起伏的结构可以达到完美的结合，当材料受到横向力的作用的时候，这种结构会使材料的横向滑移受阻，阻碍材料的横向运动。

文石片表面的微波纹起伏结构

文石片的“自锁”结构与微波起伏结构相类似，都是文石片层间阻碍相对运动的结构。如下图所示为文石片自锁结构的模型示意图，在上下文石片间层通过相互错开的结构形成互锁，当材料受到横向外力作用时，这种层间自锁结构可使得上下文石片层间的相对滑移增加，从而起到了增强增韧的作用[3]。

文石片层间“自锁”结构

横向上的微波起伏结构，有利于缓冲横向滑移力；纵向上层层堆叠自锁的结构，则增强了其断裂韧性。

三、Al合金/Al₂O₃叠层复合仿生陶瓷材料设计

如此这般受到珍珠层结构组成的启发后，研究人员也开始从材料堆叠工艺和多孔浸入材料两方面尝试设计具备仿生结构的陶瓷材料。下面我们就来学习一个珍珠层仿生氧化铝陶瓷材料制备的案例。

研究人员首先通过冷冻干燥法制备Al₂O₃多孔陶瓷基本骨架，作为仿贝壳珍珠层结构的文石片层结构。

不同方向上的氧化铝多孔陶瓷的扫描电镜照片

冷冻干燥法制备多孔陶瓷属于湿法成型技术, 是利用物理方法冷冻或凝固陶瓷悬浮液(或浆料)、减压干燥排除凝固相(溶剂)从而获得多孔陶瓷的一种新型制备技术。冷冻干燥技术一般由四个基本步骤组成, 包括陶瓷浆料的制备、冷冻(或固化)、凝固相升华(真空或低压)以及多孔坯体烧结(陶瓷壁致密化)。其原理图如下图所示。在陶瓷浆料中，陶瓷颗粒被不断形成的冰晶挤压推排在冰晶两侧，这样就形成了片体的叠层多孔结构，直至全部浆料凝固成型。凝固后，将冰晶在低温和负压条件下升华，再通过高温反应烧结即得到多孔陶瓷结构。

冷冻干燥法四个基本步骤: 浆料的制备、冷冻、升华和烧结[4]

随后，研究人员结合有压浸渗工艺，向多孔陶瓷骨架中渗入铝合金，得到仿贝壳珍珠层结构的Al合金/Al₂O₃叠层复合材料。

有压渗透实验原理图

步骤：将熔融态的铝合金溶液倒入浸渗炉中，并持续加热，将事先准备好的模具和氧化铝多孔陶瓷放好，并加压30 MPa，保温30min，浸渗实验结束后，让试样随炉冷却，得到Al合金/Al₂O₃叠层复合材料。

最终制备得到的Al合金/Al₂O₃多孔陶瓷的弯曲强度达到383 MPa，平均断裂韧性为9.8 MN/m^3/2，纵向抗压强度为636 MPa。

Al合金/Al₂O₃符合材料的CT检测图像

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参考资料

[1] 文石，中国石油大学地球科学与技术学院，颜世永

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

[3] 仿贝壳珍珠层结构叠层Al/Al2O3复合材料制备及性能测试，哈尔滨工业大学，王道畅

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

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