从珍珠层中找到灵感 中国科大研发出新型仿生材料

11月10日，记者从中国科学技术大学获悉，该校研究团队联合上海交通大学等单位，从天然珍珠层结构中获得灵感，通过改变材料内部微小片层的排列方式，研发出一种更加强韧、耐疲劳的新型仿生复合材料。与传统结构材料相比，新材料在压缩、弯曲和扭转等不同受力条件下均表现出更好的力学性能。在相同最大应力条件下，其抗疲劳寿命超过传统平板结构材料的1000倍。

天然珍珠层具有独特的内部结构，由坚硬的矿物微片与柔软的有机物质交错排列，形成类似砖块与黏合材料相结合的“砖泥结构”。这种结构使珍珠层同时具备较高的强度和韧性，也为高性能复合材料的研发提供了灵感。

不过，传统仿珍珠层复合材料大多采用平板式排列，材料内部层间界面方向较为一致，力学性能容易受受力方向影响。在复杂受力条件下，这些界面容易成为裂纹扩展的通道，影响材料可靠性。

针对这一问题，中国科大等研究团队提出“同心砖泥结构”设计策略。与传统的平板排列方式不同，研究团队将氧化铝微片围绕中心轴排列，形成一层层同心结构，使材料内部原本方向一致的薄弱界面分散到不同方向，避免形成贯穿整个材料的薄弱面。

研究团队制作了组成和密度接近、但内部结构不同的两种复合材料，并开展压缩、弯曲和扭转等力学测试。结果表明，采用同心结构的新型材料在上述三种受力条件下，均表现出更高的强度和耗能能力。

两种材料的断裂方式也存在明显差异。传统平板结构材料的裂纹主要沿层间界面扩展，容易出现分层和阶梯状断裂；而同心结构材料中的裂纹则沿不同方向曲折扩展。计算机模拟结果进一步表明，同心排列有助于改善材料内部受力情况，分散应力并减轻局部应力集中。

新型材料在抗疲劳性能方面表现尤为突出。材料在反复受力过程中，内部可能逐渐积累损伤，最终发生断裂。研究团队通过循环弯曲测试发现，在相同最大应力条件下，同心结构材料的疲劳寿命超过传统平板结构材料的1000倍。即使按照两种材料各自的静态弯曲强度进行归一化比较，在相应比较区间内，其疲劳寿命仍具有超过100倍的优势。

进一步研究表明，同心结构有助于延缓材料内部损伤累积，抑制局部损伤逐渐连接成连续破坏通道，从而提高材料在反复受力条件下的耐久性。

目前，研究团队还将这种新型材料加工成传动轴原型和精密机械结构件，展示了其加工与工程应用潜力。研究人员表示，该研究通过空间重组材料内部层间薄弱方向，为仿珍珠层复合材料的多向强韧化设计提供了新思路，也为未来开发兼具承载能力、耗能能力和抗疲劳性能的仿生结构材料提供了参考。