被破解的珍珠层的秘密，可用于制造高性能复合材料

2017-06-12 09:40:34 作者：本网整理来源：材料科技在线分享至：

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天然珍珠层和合成珍珠层的比较图使一种材料能够同时具有较高的强度和较好的韧性，这对于材料科学家和工程师来说无疑是一项巨大的挑战。但大自然却成功地将不同的结构要素结合在一起，形成了既坚硬又具有韧性的材料，从而获得了突出的性能。珍珠层或珍珠母就是一种由硬组分和软组分材料组成的，同时又具有高强度和高断裂韧性的典型例子。珍珠层是由文石晶体与有机基质交错排列而成的一种结构，利用X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察，会呈现出规整有序的“砖墙”式结构。产生这种珍珠的珠母贝内侧也具有与此相同的结构。通常将这种碳酸钙与贝壳硬蛋白形成的结构称为珍珠层。这种天然生物材料的组织结构特征及其与性能间的关系研究对于材料的仿生设计有着重要的意义。

来自麻省理工学院和意大利米兰理工大学的研究人员通过使用添加剂制造技术，制造出了模拟珍珠层优秀特性的人造混合材料。Markus J. Buehler和他的团队认为，珍珠层具有优异特性的关键是被忽视的微观结构特征，这种显微结构也被人们称为“矿物桥”（MB）。

Markus J. Buehler解释说：“珍珠层的物理结构通常被称为‘砖瓦砂浆’结构，在这种结构中，硬质文石材料（砖）与软质生物聚合物（砂浆）胶合在一起。但对珍珠层的更详细的分析表明，这种结构被更好地描述为一种‘砖桥实体’结构。”

珍珠层结构砖之间的桥梁为材料带来了额外的强度和刚度。

Markus J. Buehler指出：“珍珠层的独特之处在于，它能通过掺入5％的软生物聚合物材料，获得比单独的硬质文石更高的韧性。”

他补充说，这种对物理性质的放大，在合成材料中是前所未有的。但是Buehler和他的团队想要确切研究的是，MBs（矿物桥）的加入和含量的多少是如何影响这些属性的。研究人员利用3D打印技术，在软质聚合物基质中同时打印矿物砖和桥梁，并将不同比例的砖与砂浆和MBs（矿物桥）的数量进行了分析。

过多矿物质的加入，会使珍珠层复合材料的强度降低脆弱；而当矿物质含量过少时，材料的力学性能又表现的不够刚硬。但是，研究人员的研究结果表明，只有正确的矿物含量（70％）和MB（9-12％）数量，才会使得材料的韧性和强度都有明显的提高。

Buehler说：“我们的研究结果证明了体积分数对韧性强度有着主要影响，这一发现使得仅通过调整结构特征的尺寸大小和内容从而来调整复合材料的性能成为可能。

研究人员认为，当MBs（矿物桥）穿过复合材料时，MBs的存在会使裂缝的轨迹发生偏转。代替原来材料的自由曲折，MBs迫使裂缝遵循块状图案的偏转，这与强度的增加有很大关系。

研究人员相信，除了其他结构特征以外，他们系统的方法将有助于推动生物复合材料的优化，从而可以满足工程应用方面上的挑战。

Buehler补充说：“该技术还可以为飞机、建筑物和车辆等各种结构制造特定的材料。”

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责任编辑：殷鹏飞