刘昭明研究员团队：通过仿生“刚-弹”粘附界面构建高强高韧复合陶瓷块体
兼具高强度和高韧性的块体陶瓷材料在结构工程、航空航天、能源和环境等领域具有重要应用前景。然而，陶瓷材料的强度和韧性之间通常存在此消彼长的矛盾。传统高温烧结或无机粘结剂虽能赋予陶瓷高刚度，却使其脆性显著增加，容易发生灾难性断裂；而有机粘结剂虽能改善加工性和变形能力，却严重牺牲了材料的整体刚度和强度。如何在保持陶瓷高强度的同时显著提升其韧性，是该领域长期面临的挑战。
近日，浙江大学化学系刘昭明研究员团队提出了一种仿生策略，通过在陶瓷颗粒之间构建“刚-弹”有机-无机杂化粘附界面，成功实现了块体陶瓷复合材料的强度与韧性的协同提升。受珍珠母“砖-泥”结构的启发，研究人员以硫辛酸-碳酸钙（TA-CCO）杂化分子为反应性粘结剂，在陶瓷颗粒间隙中通过原位聚合构建了分子尺度的共价-离子双连续网络。该网络同时具备无机网络的高刚性和有机网络的弹性变形能力，实现了高效的载荷传递与能量耗散（图1）。
图1 粘结示意图、实物图和微观结构表征
与传统的有机粘结剂（如PEG、环氧树脂、石蜡）相比，TA-CCO粘结剂不仅在相同添加量下展现出更高的模量和硬度，更重要的是显著提升了材料的韧性和破坏应变。在片状氧化铝体系中，加入TA-CCO后复合材料的压缩强度和韧性分别实现了94倍和257倍的提升（图2）。
图2 复合材料的微观和宏观力学性能
此外，该粘附界面具有动态可逆性，赋予了陶瓷复合材料类似热塑性塑料的可再加工能力，可实现多次热压循环而力学性能无明显衰减。该策略适用于多种陶瓷颗粒体系和片状体系（CaCO3、Al2O3、SiO2、滑石粉等），甚至可直接用于粉煤灰、矿渣粉等低价值工业固废的高值化利用，为绿色制造和可持续发展提供了新路径（图3）。
图3 复合材料的循环压缩性，再加工性和性能雷达图
该工作通过仿生结构优化了复合陶瓷构筑中的界面性能，为解决陶瓷材料强度-韧性矛盾提供了新的设计思路，也为高性能结构材料的低温、节能制造开辟了新方向。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
该工作的第一作者是浙江大学化学系大三本科生高一鸣，共同通讯作者为杭州师范大学方威风特聘教授、浙江大学化学系刘昭明研究员。论文在Materials Horizons上发表。
供稿：刘昭明课题组
编辑：夏琦、邹尔纯
审核：陆展
终审：张曼华