中国科大仿生设计新策略让仿珍珠层材料强韧不再“挑方向”

近日，中国科学技术大学高怀岭教授、孙晓昊教授与上海交通大学邹多宏教授等合作，在仿珍珠层复合材料多向强韧化设计方面取得进展。研究团队提出同心砖泥结构（CBM）设计策略，通过重组微片的排列方式，改善材料在压缩、弯曲和扭转条件下的力学表现，并显著提升抗疲劳性能。相关成果以“Concentric brick-and-mortar architecture: beyond planar nacre-mimics”为题，在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

天然珍珠层由坚硬的矿物微片与柔软的有机相交错排列，形成兼具强度与韧性的“砖泥”结构。然而，传统平板砖泥结构（PBM）具有明显的力学方向依赖性，方向一致的层间界面容易成为损伤扩展的通道，限制了材料在复杂、多向载荷条件下的可靠性。

针对这一问题，研究团队通过自组装成膜、薄膜卷绕及前驱液灌注与原位聚合，构筑了同心砖泥结构复合材料。该设计将氧化铝微片组织为围绕轴心排列的同心层状结构，使得层间的薄弱方向不再统一指向一处，而是绕轴心呈轴对称散开，不再形成贯穿整个材料的弱面，为改善棒状材料在多种加载方式下的力学响应提供了新的思路。

图1 同心砖泥复合材料的结构设计、实物及微观形貌

研究团队以组成和密度接近的平板砖泥复合材料作为对照，系统开展力学测试。结果表明，在所测试的压缩、弯曲和扭转载荷下，同心结构均表现出更高的强度和耗能能力。断口形貌观察发现，同心结构中的裂纹沿轴向、径向及环向曲折扩展，与平板对照中较为集中的层间分层和阶梯状断裂形成对比。

图2 两种砖泥结构复合材料的力学响应与破坏形貌对比

有限元模拟进一步显示，同心排列有助于改善载荷传递、分散应力并减轻局部应力集中，与实验观察相互印证，为理解结构重组带来的力学性能提升提供了依据。

图3 同心与平板砖泥复合材料的有限元模拟对比

在循环弯曲测试中，同心结构展现出突出的抗疲劳优势。在所比较的相同最大应力条件下，其疲劳寿命超过平板对照的1000倍；按各自静态弯曲强度归一化后，在相应比较区间仍具有超过100倍的寿命优势。循环力学响应与三维X 射线显微成像结果共同提示，同心结构有助于延缓不可逆损伤累积，抑制局部损伤连接成连续破坏通道的趋势。

图4 同心与平板砖泥复合材料的弯曲疲劳性能对比

研究团队还将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。总之，该研究通过空间重组层间薄弱方向，为面向多向载荷服役环境且兼顾承载能力、耗能与抗疲劳性能的仿生结构材料提供了新的设计思路。

论文第一完成单位为中国科学技术大学，曾庆胜、苏佳昊、张诗屿为共同第一作者，高怀岭、孙晓昊、邹多宏为共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag681

（工程科学学院、科研部）