從碳酸鈣到陶瓷,微結構研究發現脆性材料高、強、韌的另一面!

從碳酸鈣到陶瓷,微結構研究發現脆性材料高、強、韌的另一面! | 2020-09-30

  最近的物理學網站(phys.org)發表了一篇由美國國家科學院供稿的研究成果,關于碳酸鈣等脆性材料在應力作用下的行為,從而開發出可應用于航空航天的包括泡沫陶瓷在內的結構材料。

  粉筆是典型的碳酸鈣制品,脆性大,易斷裂;而像墨魚骨等許多海洋生物結構材料同樣是碳酸鈣為主要成分,但卻具備輕量化、堅固、高韌的優異特性。李凌(Ling Li)教授帶領研究團隊重點研究了墨魚骨的內部微結構,發現其具備特有的空腔間隔優化結構。也正是這種結構,使墨魚骨很輕便,并且可以通過調整氣體和水分比例,下潛深達600米之多而仍能承受其高壓。

  研究團隊利用阿貢國家實驗室的高強X射線照射墨魚骨并生成高分辨圖像,基于同步加速器的微型計算機斷層攝影對其微結構三維表征,并對墨魚骨進行壓縮試驗,研究其載荷下的完全變形和斷裂過程,從而揭示了墨魚骨的空腔間隔優化結構的剛度和損傷極限等的設計。

  區別于夾層結構,墨魚骨的微結構顯示由波紋梯度的波浪形“墻壁”支撐,而不是支柱支撐,也正是因此,墨魚在受到獵食動物攻擊時,不會瞬間遭遇災難性的后果,為自己爭取更多逃命的機會。這種微結構受力破裂伴隨著致密化過程,受損腔體壓實可以吸收大量機械能,從而保護其他腔體的完整。墨魚骨的優化之處還在于,它平衡了剛度和能量吸收的最佳平衡點,避免了剛性過低或結構過于脆弱的尷尬。而這樣的結構在開發航空航天耐高溫泡沫陶瓷材料上很有幫助,畢竟陶瓷的化學穩定性、熔點都使其更具備應用潛力。

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