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受贝壳启发一种水泥复合材料的柔韧性提高了19倍

文章来源：新能源网更新时间：2024-06-14 15:09:55

受软体动物贝壳闪亮内衬的启发，研究人员创造出一种水泥复合材料，其柔韧性比普通水泥高 19 倍，抗裂性比普通水泥高 17 倍。它的特性可应用于瓷器和混凝土等脆性陶瓷材料。

大自然以利用有限、适度的材料开发轻质而坚韧的材料而闻名，这些材料被排列成巧妙的结构。以珍珠质为例。一些软体动物贝壳闪闪发光的内层通常被称为珍珠母，它是一种有机-无机复合材料，由硬质矿物文石的六角形薄片组成的三维砖墙图案，由柔软的超弹性生物聚合物粘合而成。

虽然文石片非常脆，但生物聚合物的柔韧性使其能够在拉应力作用下滑动，从而使珍珠质成为一种坚韧的材料，能够在断裂前发生显著变形。现在，普林斯顿大学土木与环境工程系的研究人员通过模仿天然珍珠质的结构，创造出了一种新型的优质水泥复合材料。

天然珍珠层由文石薄片组成，由一种超弹性生物聚合物粘合在一起

这项研究的第一作者、普林斯顿大学工程系研究生沙山克-古普塔（Shashank Gupta）说："软硬成分之间的协同作用是珍珠质具有非凡机械特性的关键。如果我们能设计出抵抗裂纹扩展的混凝土，我们就能让它变得更坚硬、更安全、更耐用。"

为了制作珍珠状复合材料，研究人员用水泥浆片制作了六角形片材，并将其分层，中间用聚乙烯硅氧烷（PVS）隔开，聚乙烯硅氧烷是一种超弹性生物聚合物。然后用这种材料制成的横梁对复合材料的机械响应进行了测试，并与用固体（整体）浇注水泥浆制成的横梁进行了比较。

研究人员对梁进行了缺口三点弯曲（3PB）试验，即在梁的中部向下施压，在两端向上施压，以评估抗裂性或断裂韧性。试验结果表明，水泥浆浇注的"硬"梁很脆；由于没有柔韧性（延展性），它们在达到失效点时突然完全断裂。相比之下，珍珠质复合梁的延展性是对照梁的 19 倍，断裂韧性是对照梁的 17.1 倍，而强度几乎相同。

研究人员制作的珍珠质水泥复合材料示意图

普林斯顿大学建筑材料与增材制造（AM2）实验室负责人、该研究的通讯作者雷扎-莫伊尼（Reza Moini）说："我们的生物启发方法不是简单地模仿自然界的微观结构，而是学习其基本原理，并利用这些原理来指导人造材料的工程设计。使珍珠质外壳坚硬的关键机制之一是纳米级的片状滑动。在这里，我们重点研究了片剂滑动的机制，通过工程设计使水泥浆的内置表层结构与聚合物的特性以及它们之间的界面保持平衡。换句话说，我们有意在脆性材料中设计缺陷，以此在设计上使其变得更坚固"。

当然，这些结果都是在实验室中得出的。研究人员计划在实际环境中测试生物启发水泥复合材料，并研究其机械性能是否可用于提高混凝土和瓷器等其他材料的抗裂性。

这项研究发表在《先进功能材料》杂志上。

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