北航郭林团队：“非晶相增强策略”可控组装超高韧性非晶态氧化铝/聚乳酸仿贝壳材料

来源：X一MOL资讯

开发兼具高韧性和其他优异机械性能的新型材料是现代材料工程中最重要的目标之一。自然界中的一些典型天然生物硬质材料，在生物矿化过程将有限的物质构筑成特殊的结构单元，实现其机械性能的完美组合。生物矿化过程中，非晶态矿物能够大幅提升材料的力学响应。

近日，北京航空航天大学化学学院的郭林教授、岳永海副教授团队，受生物硬质材料的非晶态矿物相增强机制的启发，提出了一种非晶相增强策略（Amorphous-Reinforced Design Strategy），可控组装了一种光学透明且兼具高韧的非晶氧化铝/聚乳酸（AAs/PLA）仿贝壳复合材料。该策略的关键步骤在于构筑非晶态AAs/PLA异质结构单元，从而优化两者界面作用，提高其界面载荷转移能力，最终结合层层组装工艺（图1A-B），实现了高度有序层状结构和力学性能的有效调控。相关研究结果在Cell Press旗下材料学期刊Matter 上发表，文章共同第一作者为陈科博士后和硕士生丁进，通讯作者为郭林教授和岳永海副教授。

研究人员首先制备了厚度约为5 nm的超薄非晶态氧化铝纳米片（AAs）作为理想的结构增强相（图1C-F），并通过与聚乳酸（PLA）复合，形成了非晶态AAs/PLA异质结构单元（图1G），最后，利用旋涂组装工艺，成功组装了具有高透明度，超高韧性的非晶态仿贝壳（AAN）复合材料（图1H），其层状微结构与天然珍珠层结构非常相似（图1I-J）。

图1. 材料组装方法及其微结构特点。图片来源：Matter

拉伸测试结果显示，AAN拉伸应变接近500％（图2A）；从断裂横截面处可以观察到片层结构的滑移和撕裂现象，从而产生了超大应变（图2B）。AAN的机械性能，尤其是超高的断裂功（~103.5 MJ•m-3）（图2C-F）明显优于其他PLA基材料（如PLA，Al2O3/PLA等）。循环加载-卸载结果表明AAN表现出优异的可恢复性，进一步证明了非晶相增强结构单元具备较强的载荷传递和结合能力（图2G）。同时研究人员还发现AAs可以有效提升PLA的抗老化性能（图2H）。

图2. 层状材料的宏观力学性能。图片来源：Matter

相较于传统的PLA材料以及其他的Al2O3/PLA复合材料，AAN表现出较好的压痕应力，压痕模量和硬度（图3A-E）；压痕模量和硬度的二维分布图直接证明了AAN相对稳定的机械性能（图3F-G）。另外，纳米动态力学测试表明AAN的阻尼系数（tanδ）和粘弹性品质因子（E'tanδ）明显高于PLA（图3H-I）。

图3. 层状材料的纳米压痕响应。图片来源：Matter

借助于本实验室近年来搭建的原位微纳尺度力学实验平台，研究人员揭示了AAN增强与增韧机理。在拉伸变形和断裂过程中，AAN的微裂纹表现出更倾向于偏转、分叉、相互交错和钝化等过程，明显区别于PLA；材料断裂区域的结构显示，AAN断口附近存在很多悬而未断撕裂的纤维材料，可进一步阻止裂纹的扩展或屏蔽局部应力场（图4A-B）；结合有限元模拟，研究人员系统揭示了异质界面的增强机理和层状堆叠结构对力学性能整体的贡献，从而提出了该复合材料多尺度、多级次的增强、增韧模型（图4C-D）。

图4. 增韧与增强机理。图片来源：Matter

将AAN的力学性能结果与其他类似材料的力学性能比较后发现：AAN的质均粘弹性品质因子值（WAVFOM，~0.6）明显高于纯PLA（~0.4）；AAN具有超高的韧性，其断裂功超过了晶态氧化铝增强复合材料以及报道的其他类似材料（如PLA基复合材料，氧化石墨烯复合材料和仿生复合材料等）。

总结

受贝壳珍珠母层的非晶相增强结构单元和高度有序片层微结构的启发，北京航空航天大学化学学院的郭林教授、岳永海副教授团队以非晶态AAs/PLA异质结单元为基础，组装制备了高透明的AAN，非晶相增强的混合界面和高度有序的层状结构对机械性能的改善（尤其是韧性）起到了至关重要的作用。构筑的非晶相增强纳米复合材料为设计高强、高韧、轻质的新型复合材料提供了一种新的策略。