浙江大学开发出媲美铝合金的仿生复合材料

生物结构材料（如竹子、珍珠和骨骼等）通过将硬质组分和软质组分组装成复杂的分层结构来实现优异的力学性能，从而为合成材料提供了丰富的灵感。

日前，受海螺壳结构启发，浙江大学柏浩教授利用表面图案诱导冰模板策略制备了一种具有交叉层状结构的仿生复合材料。这类仿生复合材料的抗弯强度为165 MPa，断裂功为8.2 kJ·m-2，分别是天然海螺壳的2.5倍和2倍。由于多次裂纹偏转，这种仿海螺壳结构产生的韧性是仿珠母贝结构的2倍。这种仿生复合材料的抗冲击性与铝合金相当。相关工作以Conch-shellinspired tough ceramic

为题发表在Advanced Functional Materials上。

为了模拟海螺壳的3层交叉层状结构，研究者设计了具有三区域的凹槽图案表面用于冷冻铸造。首先，选用宽度约5 μm，厚度约250 nm的Al2O3纳米片作为基本构建组分。冷冻时，冰晶沿垂直温度梯度（ΔT）方向进行生长，Al2O3纳米片从冷冻前沿被排出到相邻层状冰晶之间的空间中。经冷冻干燥后，制备得到了具有独特的交叉层状结构的多孔支架。最后，将环氧树脂渗透到多孔支架中，得到海螺壳仿生复合材料。通过显微放大技术可以发现仿生复合材料中的每个薄层均由无机层和聚合物层所组成，并且Al2O3纳米片完全被环氧树脂所包围。

该种仿生复合材料中涉及多种外在增韧机制，以抑制从微观（纳米片和聚合物之间的弱界面）到宏观尺寸（交叉层状结构）的多个长度尺度上的不稳定灾难性断裂。因此，海螺壳仿生复合材料的性能优于许多天然材料和工程材料。

下图为海螺壳仿生复合材料的制造过程和层次结构示意图。