寻找海胆以获得更强的陶瓷泡沫

弗吉尼亚理工大学机械工程系助理教授李玲揭开了海胆外骨骼多孔微结构的神秘面纱，这可能导致轻质合成陶瓷的产生。他的发现发表在《自然通讯》上。

陶瓷具有很强的耐热性，这使得它们成为管理速度超过音速的高速车辆的严酷热需求的最佳选择。在这些极快的速度下，压缩空气会对车辆产生显着的摩擦，导致其遇到的热量迅速上升。

耐热性可能是陶瓷的强项，但耐损伤性是一个弱点。陶瓷板中的单个精确冲击会导致快速扩散的裂纹，从而导致整体结构失效。当陶瓷被制成多孔以减轻重量时，陶瓷变得更不易损坏;然而，减轻重量是许多结构应用的关键要求，包括高速车辆。

美国空军是李的研究的发起人之一，长期以来一直对提高陶瓷材料的机械性能感兴趣。除了获得空军科研办公室的资金支持外，李的团队还获得了国家科学基金的资助。

实验室于2018年收到的这些联合资金使研究人员能够探索嵌入海胆等生物体形成的天然陶瓷细胞固体中的新设计原理。海胆的外骨骼是一种蜂窝状固体或“泡沫”，之所以这么称呼是因为它的微观结构是具有固体边缘或面的开放细胞的集合体，它们挤在一起以填充空间。细胞之间的间隙使它们成为多孔的，创造出一种比致密结构在机械上更有效的材料。

如何像海胆一样处理伤害

“在这项工作中，我们认为我们发现了一些关键策略，这些策略使海胆既坚固又坚韧，同时通过其多孔微结构减轻重量，”李说。“这篇NatureCommunications论文报告了我们发现的隐藏内容的结果。”

海胆的刺坚硬、结实、重量轻。这些刺是由一种叫做碳酸钙的脆性矿物质制成的，它类似于合成陶瓷，但海胆在承受重量或力时对损伤的耐受性要高得多。Li的团队通过机械按压刺来测试这一原理，模拟工程陶瓷可能需要承受的相同条件。

海胆刺在施加在其上的力下优雅地变形，与当前合成陶瓷蜂窝固体的灾难性故障形成鲜明对比。这种“优雅的失败”行为使海胆刺能够承受具有显着能量吸收能力的损伤。

在这项研究过程中，李的团队发现了一些让海胆在机械加载过程中能够保持在一起的秘密。

深渊的秘密

“海胆刺的结构特征有几个秘密。一个与树枝的连接有关，”李说。“第二是毛孔的大小。”

在显微镜下，李的团队观察到了相互连接的短枝结构。一个节点网络将这些分支连接在一起，而海胆的损伤容限的秘诀之一是节点和分支数量之间的平衡。这个数字非常关键，因为具有太多连接分支的节点会导致结构变得更加脆弱和易碎。

海胆刺多孔结构中的节点平均连接到三个分支，这意味着分支网络将发生弯曲引起的断裂，而不是更具灾难性的拉伸引起的断裂。

第二个秘密在于分支之间的间隙或孔隙的大小。研究小组发现，海胆刺的多孔结构内的间隙仅比树枝的大小略小。这意味着一旦树枝断裂，它们可以通过这些较小的开口立即锁定到位。破碎的树枝在孔隙上相互堆叠，形成一个仍然能够承受负载的密集区域。

海胆的表面形态也与合成陶瓷不同。制造的蜂窝陶瓷在其表面和内部具有许多微观缺陷，使这些材料更容易失效。海胆脊椎的情况并非如此，它的表面几乎像玻璃一样，平滑到纳米级。缺陷是损坏的起点，没有缺陷意味着缺少容易发生故障的位置。

李用一张纸证明了这个想法。“当你试图撕开一张未损坏的纸时，纸会抵抗撕开。但是，如果你在纸的侧面撕开一个小口子，撕口会从受损点继续。”

借助树枝、孔隙和光滑的表面，轻质海胆刺通过在结构内均匀分布应力并更有效地吸收能量来实现高强度和耐损伤性。

制造下一代陶瓷

有了这些知识，我们能否重新创建利用海胆秘密所需的平滑度、无缺陷以及特定的分支和节点结构?目前，我们还不能，因为目前的陶瓷加工方法还不够完善。

合成制造的陶瓷通常通过两步工艺形成。第一步是创造形状，第二步是烧制陶瓷，使陶瓷硬化，从而赋予其众所周知的强度。陶工在制作锅并在窑中加热时遵循这种方法。类似的工艺也用于3D打印陶瓷，其中3D打印步骤形成形状，然后需要随后的烧制来生产最终的陶瓷部件。

烧制或烧结步骤是重建海胆微观结构的最大问题，因为烧结过程会导致形成微观缺陷，从而降低强度。

“在我的实验室中，我们还对海胆等生物如何形成这些天然陶瓷细胞固体感兴趣，”李说。“希望有一天，我们不仅可以将材料设计原则整合到仿生轻质陶瓷材料中，还可以将从自然系统中学到的材料加工策略整合到一起。”