大自然似乎無所不能。它聰明、高效、創新。這就是為什么世界各地的科學家和工程師在實驗室里競相“模仿”大自然。與模仿自然有關的研究領域稱為仿生學。
近期，普林斯頓的工程師們從珍珠母的構造中獲得靈感，開發出一種新型的水泥復合材料，其抗裂性能是標準水泥的17倍，可拉伸性提高19倍。這種生物啟發型復合材料通過在水泥漿和聚合物之間交替層壓制造，可能增強從混凝土到瓷器等各種脆性陶瓷材料的耐久性。
從牡蠣和鮑魚殼中獲得靈感
普林斯頓大學的工程師們發明的新型水泥復合材料，其抗裂性和拉伸變形能力顯著高于標準水泥，這得益于其內部結構受到珍珠層的啟發，珍珠層是一種柔韌的材料，覆蓋在鮑魚和牡蠣等軟體動物的貝殼內部。
新型水泥復合材料從牡蠣和鮑魚殼中獲得靈感，主要利用了這些貝殼中的有機-無機多級次層狀結構以及大量的復合界面作用。具體來說，牡蠣殼富含碳酸鈣，這種成分被用于制造建筑材料，以減少水產養殖廢物對環境的污染，并促進經濟可持續性。而鮑魚殼的主要成分也是碳酸鈣，但其獨特的層狀結構主要由霰石碳酸鈣片層構成，并通過體積分數約為5%的生物高分子在層間進行粘合。
在這種情況下，該團隊開發了一種復合材料，其靈感來自于一種稱為珍珠的天然材料，或珍珠之母，這種材料存在于某些貝殼中。古普塔說，在微觀層面上，珍珠層是由一種柔軟的生物聚合物粘合在一起的六邊形硬礦物文石片組成的。
文石片對珍珠的強度有顯著貢獻，而生物聚合物則增加了柔韌性和抗裂性。這種增韌機制涉及文石片在壓力下滑動，這與其他機制一起，使珍珠層耗散能量。這種滑動作用，結合裂縫偏轉和生物聚合物變形，使珍珠層能夠承受巨大的機械應力，同時保持其結構完整性，使其既堅固又有彈性。
普林斯頓大學的研究小組受珍珠粉的啟發，利用傳統的建筑材料，如波特蘭水泥漿和有限數量的聚合物，開發出了創新的復合材料。他們用一種高度可拉伸的聚合物 —— 聚乙烯醇硅氧烷，交替使用水泥糊層。研究人員通過交替使用薄層聚合物來制造多層小梁。然后對這些梁進行缺口三點彎曲試驗，其中每個梁在彎曲下進行測試，以評估抗裂性（或斷裂韌性）。
抗裂性方面的具體機理
研究人員制造了三種類型的光束。第一種是由水泥漿板和薄聚合物交替層組成的。對于第二種類型，他們使用激光在水泥糊板上雕刻六角形凹槽。然后將這些有凹槽的薄片與薄聚合物層堆疊在一起。第三種類型與第三種相似，但研究人員完全切斷了水泥，創造了由聚合物層連接的分離的六角形片。這些水泥糊片位于聚合物層之上，就像文石位于珍珠層中的生物聚合物層一樣。將這三種類型與參考固體（整體）澆筑水泥漿料進行比較。
實驗表明，參考梁的破壞是脆性的，這意味著梁在達到破壞點時突然完全斷裂，沒有延性。有溝槽和無溝槽交替層的梁顯示出增加的延性和抗裂性。最顯著的結果是在具有完全分離的六角形片的光束中觀察到的，這些片類似于珍珠層。這些梁具有19倍的延性和17倍的斷裂韌性，同時保持與固體水泥膏體梁幾乎相同的強度。
這種新型水泥復合材料在提高抗裂性方面的具體機理主要體現在以下幾個方面：
纖維增強：鋼纖維和工程纖維等增強材料可以有效阻礙水泥基材料中微裂縫的產生和發展，從而提高其抗裂能力。例如，鋼纖維通過與水泥基體之間的相互作用，降低裂縫尖端的最大應力，從而防止裂縫的擴展。
應變硬化：應變硬化水泥基復合材料（SHCC）具有拉伸應變硬化特性，在破壞失效前會產生多條細密裂縫，這些細密裂縫有助于分散應力，減少裂縫的寬度和數量，從而提高材料的耐久性和抗裂性。
納米改性和聚合物技術：通過納米改性和聚合物等技術，從分子到微納觀層次調控水化產物，改善基體和界面過渡區的微結構，從而提高水泥基體的韌性和抵抗開裂的能力。
氧化石墨烯增強：將氧化石墨烯（GO）加入水泥砂漿中，可以顯著提高其抗裂性和韌性。GO提高了水泥砂漿試件的起裂韌度，當GO摻量增加時，改性水泥砂漿的斷裂參數也隨之改善。
多次開裂性能：工程水泥基復合材料（ECC）由于其優異的拉伸應變硬化和多次開裂性能，能夠在極限拉應變作用下形成多縫開裂形式且裂縫寬度較小，這有助于提高材料的整體抗裂性。
市場上的其他創新性水泥
目前市場上存在多種新型水泥，它們的性能各有特點，與普林斯頓大學開發的新型水泥相比，各有優劣。
硫鋁酸鹽水泥和貼鋁酸鹽水泥：這些水泥具有節能、早強、高強的特點，并且可以在負溫環境中凝結硬化，強度不會降低。而普林斯頓大學的新型水泥在抗裂性方面表現突出，提高了17倍。而硫鋁酸鹽水泥和貼鋁酸鹽水泥雖然在早期強度和耐寒性方面有優勢，但在抗裂性和整體性能上可能不如普林斯頓大學的新型水泥。
碳纖維、碳納米管和石墨烯復合材料：這些材料在水泥基復合材料中表現出良好的導電性和壓敏性。而普林斯頓大學的新型水泥主要強調抗裂性，而碳纖維、碳納米管和石墨烯復合材料則更注重導電性和壓敏性。因此，兩者在應用領域和性能指標上有所不同。
劍橋大學的“零碳”水泥：這種新型材料無需使用硅酸鹽水泥和進行水化反應，但其性能與傳統材料仍有差距。而普林斯頓大學的新型水泥在抗裂性方面有顯著提升，而劍橋大學的“零碳”水泥則更注重環保和可持續性。兩者在性能和應用領域上有不同的側重點。
普林斯頓大學的新型水泥在抗裂性方面表現優異，而其他新型水泥則在節能、早強、高強、導電性和壓敏性等方面各有優勢。
“我們的生物工程方法不僅僅是復制自然微觀結構。我們想了解基本原理并利用它們來開發人造材料。賦予珍珠層強度的關鍵機制之一是納米級板的滑動。我們通過創建與聚合物平衡的水泥結構來關注這一機制。換句話說，我們故意在脆性材料中制造缺陷，通過設計使它們變得更堅固，”研究合著者 Reza Moini 解釋道。
研究人員指出，這些發現是基于實驗室條件的，需要額外的工作和研究來開發在現場使用的技術。他們正在努力確定這種結構的斷裂韌性和延展性，是否適用于水泥漿以外的其他陶瓷材料，比如混凝土。“我們只是觸及了表面，”莫伊尼說：“將有許多設計可能性來探索和設計本構的硬、軟材料特性、界面和幾何方面，這些都是建筑材料的基本尺寸效應。”
文章來源： 知新了了，熙瀚認知，前沿技技
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551262.html
來源：賢集網
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近期，普林斯頓的工程師們從珍珠母的構造中獲得靈感，開發出一種新型的水泥復合材料，其抗裂性能是標準水泥的17倍，可拉伸性提高19倍。這種生物啟發型復合材料通過在水泥漿和聚合物之間交替層壓制造，可能增強從混凝土到瓷器等各種脆性陶瓷材料的耐久性。
從牡蠣和鮑魚殼中獲得靈感
普林斯頓大學的工程師們發明的新型水泥復合材料，其抗裂性和拉伸變形能力顯著高于標準水泥，這得益于其內部結構受到珍珠層的啟發，珍珠層是一種柔韌的材料，覆蓋在鮑魚和牡蠣等軟體動物的貝殼內部。
新型水泥復合材料從牡蠣和鮑魚殼中獲得靈感，主要利用了這些貝殼中的有機-無機多級次層狀結構以及大量的復合界面作用。具體來說，牡蠣殼富含碳酸鈣，這種成分被用于制造建筑材料，以減少水產養殖廢物對環境的污染，并促進經濟可持續性。而鮑魚殼的主要成分也是碳酸鈣，但其獨特的層狀結構主要由霰石碳酸鈣片層構成，并通過體積分數約為5%的生物高分子在層間進行粘合。
在這種情況下，該團隊開發了一種復合材料，其靈感來自于一種稱為珍珠的天然材料，或珍珠之母，這種材料存在于某些貝殼中。古普塔說，在微觀層面上，珍珠層是由一種柔軟的生物聚合物粘合在一起的六邊形硬礦物文石片組成的。
文石片對珍珠的強度有顯著貢獻，而生物聚合物則增加了柔韌性和抗裂性。這種增韌機制涉及文石片在壓力下滑動，這與其他機制一起，使珍珠層耗散能量。這種滑動作用，結合裂縫偏轉和生物聚合物變形，使珍珠層能夠承受巨大的機械應力，同時保持其結構完整性，使其既堅固又有彈性。
普林斯頓大學的研究小組受珍珠粉的啟發，利用傳統的建筑材料，如波特蘭水泥漿和有限數量的聚合物，開發出了創新的復合材料。他們用一種高度可拉伸的聚合物 —— 聚乙烯醇硅氧烷，交替使用水泥糊層。研究人員通過交替使用薄層聚合物來制造多層小梁。然后對這些梁進行缺口三點彎曲試驗，其中每個梁在彎曲下進行測試，以評估抗裂性（或斷裂韌性）。
抗裂性方面的具體機理
研究人員制造了三種類型的光束。第一種是由水泥漿板和薄聚合物交替層組成的。對于第二種類型，他們使用激光在水泥糊板上雕刻六角形凹槽。然后將這些有凹槽的薄片與薄聚合物層堆疊在一起。第三種類型與第三種相似，但研究人員完全切斷了水泥，創造了由聚合物層連接的分離的六角形片。這些水泥糊片位于聚合物層之上，就像文石位于珍珠層中的生物聚合物層一樣。將這三種類型與參考固體（整體）澆筑水泥漿料進行比較。
實驗表明，參考梁的破壞是脆性的，這意味著梁在達到破壞點時突然完全斷裂，沒有延性。有溝槽和無溝槽交替層的梁顯示出增加的延性和抗裂性。最顯著的結果是在具有完全分離的六角形片的光束中觀察到的，這些片類似于珍珠層。這些梁具有19倍的延性和17倍的斷裂韌性，同時保持與固體水泥膏體梁幾乎相同的強度。
這種新型水泥復合材料在提高抗裂性方面的具體機理主要體現在以下幾個方面：
纖維增強：鋼纖維和工程纖維等增強材料可以有效阻礙水泥基材料中微裂縫的產生和發展，從而提高其抗裂能力。例如，鋼纖維通過與水泥基體之間的相互作用，降低裂縫尖端的最大應力，從而防止裂縫的擴展。
應變硬化：應變硬化水泥基復合材料（SHCC）具有拉伸應變硬化特性，在破壞失效前會產生多條細密裂縫，這些細密裂縫有助于分散應力，減少裂縫的寬度和數量，從而提高材料的耐久性和抗裂性。
納米改性和聚合物技術：通過納米改性和聚合物等技術，從分子到微納觀層次調控水化產物，改善基體和界面過渡區的微結構，從而提高水泥基體的韌性和抵抗開裂的能力。
氧化石墨烯增強：將氧化石墨烯（GO）加入水泥砂漿中，可以顯著提高其抗裂性和韌性。GO提高了水泥砂漿試件的起裂韌度，當GO摻量增加時，改性水泥砂漿的斷裂參數也隨之改善。
多次開裂性能：工程水泥基復合材料（ECC）由于其優異的拉伸應變硬化和多次開裂性能，能夠在極限拉應變作用下形成多縫開裂形式且裂縫寬度較小，這有助于提高材料的整體抗裂性。
市場上的其他創新性水泥
目前市場上存在多種新型水泥，它們的性能各有特點，與普林斯頓大學開發的新型水泥相比，各有優劣。
硫鋁酸鹽水泥和貼鋁酸鹽水泥：這些水泥具有節能、早強、高強的特點，并且可以在負溫環境中凝結硬化，強度不會降低。而普林斯頓大學的新型水泥在抗裂性方面表現突出，提高了17倍。而硫鋁酸鹽水泥和貼鋁酸鹽水泥雖然在早期強度和耐寒性方面有優勢，但在抗裂性和整體性能上可能不如普林斯頓大學的新型水泥。
碳纖維、碳納米管和石墨烯復合材料：這些材料在水泥基復合材料中表現出良好的導電性和壓敏性。而普林斯頓大學的新型水泥主要強調抗裂性，而碳纖維、碳納米管和石墨烯復合材料則更注重導電性和壓敏性。因此，兩者在應用領域和性能指標上有所不同。
劍橋大學的“零碳”水泥：這種新型材料無需使用硅酸鹽水泥和進行水化反應，但其性能與傳統材料仍有差距。而普林斯頓大學的新型水泥在抗裂性方面有顯著提升，而劍橋大學的“零碳”水泥則更注重環保和可持續性。兩者在性能和應用領域上有不同的側重點。
普林斯頓大學的新型水泥在抗裂性方面表現優異，而其他新型水泥則在節能、早強、高強、導電性和壓敏性等方面各有優勢。
“我們的生物工程方法不僅僅是復制自然微觀結構。我們想了解基本原理并利用它們來開發人造材料。賦予珍珠層強度的關鍵機制之一是納米級板的滑動。我們通過創建與聚合物平衡的水泥結構來關注這一機制。換句話說，我們故意在脆性材料中制造缺陷，通過設計使它們變得更堅固，”研究合著者 Reza Moini 解釋道。
研究人員指出，這些發現是基于實驗室條件的，需要額外的工作和研究來開發在現場使用的技術。他們正在努力確定這種結構的斷裂韌性和延展性，是否適用于水泥漿以外的其他陶瓷材料，比如混凝土。“我們只是觸及了表面，”莫伊尼說：“將有許多設計可能性來探索和設計本構的硬、軟材料特性、界面和幾何方面，這些都是建筑材料的基本尺寸效應。”
文章來源： 知新了了，熙瀚認知，前沿技技
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