在高端裝備制造領(lǐng)域，高強高模量工程陶瓷一直被視為承載部件的"理想材料"，然而其原子間強共價鍵合作用所帶來的本征脆性和高裂紋敏感性，一直是限制陶瓷材料實際應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。自然界中的生物材料如珍珠母、骨骼、竹木等，往往是由95%以上的脆性成分組成，卻展現(xiàn)出卓越的剛度、強度、韌性與損傷容限完美融合。這種"化腐朽為神奇"的能力源于億萬年自然演化形成的精細多級結(jié)構(gòu)和多尺度外部增韌機制，為高性能結(jié)構(gòu)陶瓷研發(fā)提供了生物學(xué)靈感。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心研究人員受大自然中貝殼珍珠母和竹木啟發(fā)，創(chuàng)制了系列具有仿生層狀、層狀梯度和纖維獨石結(jié)構(gòu)的復(fù)合陶瓷，利用結(jié)構(gòu)和界面對裂紋擴展的誘導(dǎo)作用，實現(xiàn)了陶瓷材料的強韌化。通過將仿生結(jié)構(gòu)理念和摩擦學(xué)設(shè)計思想相結(jié)合，發(fā)展了系列兼具優(yōu)異力學(xué)性能和潤滑功能的復(fù)合陶瓷材料，實現(xiàn)了高溫、高真空等環(huán)境下結(jié)構(gòu)可靠和潤滑功能的集成。

近期，研究人員源于竹木的多取向梯度分布結(jié)構(gòu)啟示，對陶瓷材料進行仿生多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計和多層級優(yōu)化，創(chuàng)造性構(gòu)造出“強-弱-強”的纖維雙界面結(jié)合的梯度多級結(jié)構(gòu)體系。這一創(chuàng)新性設(shè)計為陶瓷材料引入了從微觀到宏觀的跨尺度的裂紋交互行為和外部增韌機制，實現(xiàn)了高強高韌和優(yōu)異損傷容限的獨特結(jié)合。發(fā)展的新型強韌耐損傷仿生復(fù)合陶瓷裂紋擴展韌性達26 MPa·m^1/2，比相應(yīng)的裂紋引發(fā)韌性提高了247%，較純氧化鋁提升485%。同時，復(fù)合陶瓷具有極高的理論臨界裂紋尺寸（0.229 mm）和損傷容限參數(shù)（0.852 mm^1/2），分別比純氧化鋁提升780%和200%，刷新了仿生復(fù)合陶瓷耐損傷性能的記錄。上述工作還揭示了材料多層級結(jié)構(gòu)與材料裂紋分階段分布擴展之間的關(guān)聯(lián)及其作用機制。

圖1.多級精細仿生結(jié)構(gòu)氧化鋁復(fù)合陶瓷設(shè)計示意圖

圖2.多種陶瓷體系的損傷容限對比

該仿生復(fù)合陶瓷能夠承受多次循環(huán)加載而保持漸進性失效特征，后續(xù)循環(huán)的最大承載能力可保持在前一個循環(huán)的85%以上，突破了傳統(tǒng)陶瓷本征脆性和災(zāi)難性斷裂的性能桎梏。這些優(yōu)勢得益于多級精細結(jié)構(gòu)在裂紋引發(fā)后提供了更為豐富且多尺度層面的裂紋擴展行為，賦予了材料極大的潛力——允許纖維之間存在大尺寸裂紋，且最大程度上保留承載能力。這種集強韌耐損傷為一體的仿生復(fù)合陶瓷在航空航天、先進制造、能源裝備等高技術(shù)領(lǐng)域具有巨大潛力。

圖3.裂紋擴展過程的原位追蹤和斷面三維形貌重構(gòu)以及循環(huán)加載試驗

該研究工作以“Tough and damage-tolerant composite ceramics enabled by bioinspired multiple architectures”為題發(fā)表在Materials Today上，蘭州化物所陳淑娜助理研究員為論文第一作者，蘇云峰副研究員和張永勝研究員為共同通訊作者。

以上研究得到了國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金項目和甘肅省自然科學(xué)基金的支持。