发布时间：2024-07-19 17:40:39 栏目：生活
受牡蛎壳和鲍鱼壳材料的启发，普林斯顿大学的工程师们发明了一种新型水泥复合材料，其抗裂性比标准水泥高出 17 倍，拉伸和变形而不断裂的能力高出 19 倍。这一发现最终可能有助于提高从混凝土到瓷器等各种脆性陶瓷材料的抗裂性。
土木与环境工程系Reza Moini 实验室的研究生Shashank Gupta 表示：“如果我们能够设计出抵抗裂纹扩展的混凝土，我们就可以使其更坚韧、更安全、更耐用。”
在 6 月 10 日发表在《先进功能材料》杂志上的一篇文章中，土木与环境工程助理教授Moini领导的研究小组报告说，创建交替的板状水泥浆层和薄聚合物层可以显著提高抗裂性和在不完全断裂的情况下变形的能力(延展性)。
Moini 的实验室经常从生物学中寻找建筑材料方面的灵感。在这种情况下，该团队开发了一种复合材料，灵感来自一种名为珍珠层或珍珠母的天然材料，这种材料存在于某些贝壳中。古普塔说，在微观层面上，珍珠层由六角形的硬矿物文石片组成，并用柔软的生物聚合物粘合在一起。
文石片对珍珠层的强度有很大贡献，而生物聚合物则增加了柔韧性和抗裂性。增韧机制包括文石片在压力下滑动，这与其他机制一起使珍珠层能够耗散能量。这种滑动作用，加上裂纹偏转和生物聚合物变形，使珍珠层能够承受相当大的机械应力，同时保持其结构完整性，使其既坚固又有弹性。
古普塔说：“硬质和软质成分之间的协同作用对于珍珠层的卓越机械性能至关重要。”
普林斯顿团队受珍珠母启发，开发出创新复合材料，利用波特兰水泥浆等传统建筑材料与有限量的聚合物相结合。他们将水泥浆片层与高拉伸性聚合物聚乙烯基硅氧烷交替使用。研究人员通过交替使用水泥浆片和聚合物薄层来制造多层小梁。然后对这些梁进行缺口三点弯曲试验，其中每根梁都在弯曲下进行测试，以评估抗裂性(或断裂韧性)。
在实验中，研究人员制作了三种类型的梁。第一种由交替的水泥浆片和薄聚合物层组成。对于第二种类型，他们使用激光在水泥浆片上雕刻六角形凹槽。然后将这些凹槽板堆叠起来，中间夹有薄聚合物层。第三种类型与第三种类似，但研究人员完全切穿了水泥，形成了由聚合物层连接的分离的六角形平板。这些水泥浆片位于聚合物层之上，类似于珍珠层中霰石位于生物聚合物层上的方式。将这三种类型与参考固体(整体式)铸造水泥浆对应物进行了比较。
实验表明，参考梁的断裂是脆性的——这意味着梁在达到其断裂点时会突然完全断裂，没有延展性。具有交替层的梁(无论是带槽的还是不带槽的)表现出更高的延展性和抗开裂性。
最显著的结果出现在具有完全分离的六角形薄片的梁中，这些薄片类似于珍珠层。这些梁的延展性是固体水泥浆梁的 19 倍，断裂韧性是固体水泥浆梁的 17 倍，同时强度几乎相同。
“我们的仿生方法不是简单地模仿自然的微观结构，而是从底层原理中学习，并利用这些原理指导人造材料的工程设计。使珍珠壳坚韧的关键机制之一是纳米级的平板滑动。在这里，我们专注于平板滑动的机制，通过设计水泥浆的内置平板结构，平衡聚合物的性质及其之间的界面。”莫伊尼说。“换句话说，我们故意设计脆性材料中的缺陷，以便通过设计使它们更坚固。”
研究人员指出，这些发现是基于实验室条件得出的，还需要进一步的工作和研究来开发用于现场的技术。他们正在努力确定这些结构的断裂韧性和延展性是否适用于水泥浆以外的其他陶瓷材料，例如混凝土。
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