记者10月12日从中国科大获悉,该校俞书宏教授团队在深入理解盾皮鱼鳞微纳结构和强韧化机制的基础上,首次提出单向/多向刷涂与螺旋层积相结合的高效仿生组装策略,实现了宏观尺度上灵活操纵一维微纳米纤维的空间排布,可以制备出超强的人造铠甲。该成果发表于2018年第五期《国家科学评论》上。

  盾皮鱼是一种已绝灭的鱼类,其最为出众的地方在于它头部的骨甲,坚硬如同盔甲。中国科大研究人员以具有生物相容性的羟基磷灰石微纳米纤维为组装基元,结合天然高分子海藻酸钠,发展了一种单向/多向刷涂与螺旋层积相结合的高效仿生组装策略,成功制备出具有类自然盾皮鱼鳞螺旋胶合板结构的宏观三维体型复合材料。

  通过拉伸和弯曲加载测试、材料多尺度结构和微裂纹电镜观察以及有限元模拟等手段,研究团队证实了仿生螺旋结构材料的强韧化机制和自然盾皮鱼鳞高度类似,材料在承载时所产生的微裂纹平行于微纤维长轴方向进行延伸扩展,并且在不同取向的纤维层间呈现逐渐扭转延伸的趋势,最终形成螺旋状的裂纹形态。这种由仿生螺旋结构所带来的复杂裂纹扩展形态与常规纤维增强材料的类平面裂纹延伸形成了鲜明的对比,由于在单位主裂纹长度上具有更大的破坏界面面积,因此具有更大的能量吸收亦即更为优异的损伤抵抗能力。

  力学实验结果表明,由羟基磷灰石微纳米纤维和海藻酸钠所构筑的仿生螺旋结构复合材料,其弯曲强度、弯曲模量、断裂韧性优于许多自然生物材料、人工仿生合成材料和现有工程材料。所提出的仿生设计制备策略能够扩展至其他微纳米材料体系中,同时具有可程控、可扩大化和低能耗等优势,为设计制备更多基于微纳米纤维的先进仿生复合材料提供了一种可行的制造方法。

  (责任编辑 李致远)