鮑魚(yú)殼中獲得靈感，工程師開(kāi)發(fā)出一種新型水泥，抗裂性提高17倍
核心提示：大自然似乎無(wú)所不能。它聰明、高效、創(chuàng)新。這就是為什么世界各地的科學(xué)家和工程師在實(shí)驗(yàn)室里競(jìng)相“模仿”大自然。與模仿自然有關(guān)
大自然似乎無(wú)所不能。它聰明、高效、創(chuàng)新。這就是為什么世界各地的科學(xué)家和工程師在實(shí)驗(yàn)室里競(jìng)相“模仿”大自然。與模仿自然有關(guān)的研究領(lǐng)域稱為仿生學(xué)。
近期，普林斯頓的工程師們從珍珠母的構(gòu)造中獲得靈感，開(kāi)發(fā)出一種新型的水泥復(fù)合材料，其抗裂性能是標(biāo)準(zhǔn)水泥的17倍，可拉伸性提高19倍。這種生物啟發(fā)型復(fù)合材料通過(guò)在水泥漿和聚合物之間交替層壓制造，可能增強(qiáng)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(yú)殼中獲得靈感
普林斯頓大學(xué)的工程師們發(fā)明的新型水泥復(fù)合材料，其抗裂性和拉伸變形能力顯著高于標(biāo)準(zhǔn)水泥，這得益于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到珍珠層的啟發(fā)，珍珠層是一種柔韌的材料，覆蓋在鮑魚(yú)和牡蠣等軟體動(dòng)物的貝殼內(nèi)部。
新型水泥復(fù)合材料從牡蠣和鮑魚(yú)殼中獲得靈感，主要利用了這些貝殼中的有機(jī)-無(wú)機(jī)多級(jí)次層狀結(jié)構(gòu)以及大量的復(fù)合界面作用。具體來(lái)說(shuō)，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(chǎn)養(yǎng)殖廢物對(duì)環(huán)境的污染，并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。而鮑魚(yú)殼的主要成分也是碳酸鈣，但其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)主要由霰石碳酸鈣片層構(gòu)成，并通過(guò)體積分?jǐn)?shù)約為5%的生物高分子在層間進(jìn)行粘合。
在這種情況下，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種復(fù)合材料，其靈感來(lái)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(shuō)，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(duì)珍珠的強(qiáng)度有顯著貢獻(xiàn)，而生物聚合物則增加了柔韌性和抗裂性。這種增韌機(jī)制涉及文石片在壓力下滑動(dòng)，這與其他機(jī)制一起，使珍珠層耗散能量。這種滑動(dòng)作用，結(jié)合裂縫偏轉(zhuǎn)和生物聚合物變形，使珍珠層能夠承受巨大的機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)保持其結(jié)構(gòu)完整性，使其既堅(jiān)固又有彈性。
普林斯頓大學(xué)的研究小組受珍珠粉的啟發(fā)，利用傳統(tǒng)的建筑材料，如波特蘭水泥漿和有限數(shù)量的聚合物，開(kāi)發(fā)出了創(chuàng)新的復(fù)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(guò)交替使用薄層聚合物來(lái)制造多層小梁。然后對(duì)這些梁進(jìn)行缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，其中每個(gè)梁在彎曲下進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估抗裂性（或斷裂韌性）。
抗裂性方面的具體機(jī)理
研究人員制造了三種類(lèi)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(duì)于第二種類(lèi)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(lèi)型與第三種相似，但研究人員完全切斷了水泥，創(chuàng)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(lèi)型與參考固體（整體）澆筑水泥漿料進(jìn)行比較。
實(shí)驗(yàn)表明，參考梁的破壞是脆性的，這意味著梁在達(dá)到破壞點(diǎn)時(shí)突然完全斷裂，沒(méi)有延性。有溝槽和無(wú)溝槽交替層的梁顯示出增加的延性和抗裂性。最顯著的結(jié)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(lèi)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(shí)保持與固體水泥膏體梁幾乎相同的強(qiáng)度。
這種新型水泥復(fù)合材料在提高抗裂性方面的具體機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
纖維增強(qiáng)：鋼纖維和工程纖維等增強(qiáng)材料可以有效阻礙水泥基材料中微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高其抗裂能力。例如，鋼纖維通過(guò)與水泥基體之間的相互作用，降低裂縫尖端的最大應(yīng)力，從而防止裂縫的擴(kuò)展。
應(yīng)變硬化：應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（SHCC）具有拉伸應(yīng)變硬化特性，在破壞失效前會(huì)產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，這些細(xì)密裂縫有助于分散應(yīng)力，減少裂縫的寬度和數(shù)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(shù)：通過(guò)納米改性和聚合物等技術(shù)，從分子到微納觀層次調(diào)控水化產(chǎn)物，改善基體和界面過(guò)渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)，從而提高水泥基體的韌性和抵抗開(kāi)裂的能力。
氧化石墨烯增強(qiáng)：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(dāng)GO摻量增加時(shí)，改性水泥砂漿的斷裂參數(shù)也隨之改善。
多次開(kāi)裂性能：工程水泥基復(fù)合材料（ECC）由于其優(yōu)異的拉伸應(yīng)變硬化和多次開(kāi)裂性能，能夠在極限拉應(yīng)變作用下形成多縫開(kāi)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(chǎng)上的其他創(chuàng)新性水泥
目前市場(chǎng)上存在多種新型水泥，它們的性能各有特點(diǎn)，與普林斯頓大學(xué)開(kāi)發(fā)的新型水泥相比，各有優(yōu)劣。
硫鋁酸鹽水泥和貼鋁酸鹽水泥：這些水泥具有節(jié)能、早強(qiáng)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，并且可以在負(fù)溫環(huán)境中凝結(jié)硬化，強(qiáng)度不會(huì)降低。而普林斯頓大學(xué)的新型水泥在抗裂性方面表現(xiàn)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(qiáng)度和耐寒性方面有優(yōu)勢(shì)，但在抗裂性和整體性能上可能不如普林斯頓大學(xué)的新型水泥。
碳纖維、碳納米管和石墨烯復(fù)合材料：這些材料在水泥基復(fù)合材料中表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和壓敏性。而普林斯頓大學(xué)的新型水泥主要強(qiáng)調(diào)抗裂性，而碳纖維、碳納米管和石墨烯復(fù)合材料則更注重導(dǎo)電性和壓敏性。因此，兩者在應(yīng)用領(lǐng)域和性能指標(biāo)上有所不同。
劍橋大學(xué)的“零碳”水泥：這種新型材料無(wú)需使用硅酸鹽水泥和進(jìn)行水化反應(yīng)，但其性能與傳統(tǒng)材料仍有差距。而普林斯頓大學(xué)的新型水泥在抗裂性方面有顯著提升，而劍橋大學(xué)的“零碳”水泥則更注重環(huán)保和可持續(xù)性。兩者在性能和應(yīng)用領(lǐng)域上有不同的側(cè)重點(diǎn)。
普林斯頓大學(xué)的新型水泥在抗裂性方面表現(xiàn)優(yōu)異，而其他新型水泥則在節(jié)能、早強(qiáng)、高強(qiáng)、導(dǎo)電性和壓敏性等方面各有優(yōu)勢(shì)。
“我們的生物工程方法不僅僅是復(fù)制自然微觀結(jié)構(gòu)。我們想了解基本原理并利用它們來(lái)開(kāi)發(fā)人造材料。賦予珍珠層強(qiáng)度的關(guān)鍵機(jī)制之一是納米級(jí)板的滑動(dòng)。我們通過(guò)創(chuàng)建與聚合物平衡的水泥結(jié)構(gòu)來(lái)關(guān)注這一機(jī)制。換句話說(shuō)，我們故意在脆性材料中制造缺陷，通過(guò)設(shè)計(jì)使它們變得更堅(jiān)固，”研究合著者 Reza Moini 解釋道。
研究人員指出，這些發(fā)現(xiàn)是基于實(shí)驗(yàn)室條件的，需要額外的工作和研究來(lái)開(kāi)發(fā)在現(xiàn)場(chǎng)使用的技術(shù)。他們正在努力確定這種結(jié)構(gòu)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(shuō)：“將有許多設(shè)計(jì)可能性來(lái)探索和設(shè)計(jì)本構(gòu)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(yīng)。”
文章來(lái)源： 知新了了，熙瀚認(rèn)知，前沿技技
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551262.html
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著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
近期，普林斯頓的工程師們從珍珠母的構(gòu)造中獲得靈感，開(kāi)發(fā)出一種新型的水泥復(fù)合材料，其抗裂性能是標(biāo)準(zhǔn)水泥的17倍，可拉伸性提高19倍。這種生物啟發(fā)型復(fù)合材料通過(guò)在水泥漿和聚合物之間交替層壓制造，可能增強(qiáng)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(yú)殼中獲得靈感
普林斯頓大學(xué)的工程師們發(fā)明的新型水泥復(fù)合材料，其抗裂性和拉伸變形能力顯著高于標(biāo)準(zhǔn)水泥，這得益于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到珍珠層的啟發(fā)，珍珠層是一種柔韌的材料，覆蓋在鮑魚(yú)和牡蠣等軟體動(dòng)物的貝殼內(nèi)部。
新型水泥復(fù)合材料從牡蠣和鮑魚(yú)殼中獲得靈感，主要利用了這些貝殼中的有機(jī)-無(wú)機(jī)多級(jí)次層狀結(jié)構(gòu)以及大量的復(fù)合界面作用。具體來(lái)說(shuō)，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(chǎn)養(yǎng)殖廢物對(duì)環(huán)境的污染，并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。而鮑魚(yú)殼的主要成分也是碳酸鈣，但其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)主要由霰石碳酸鈣片層構(gòu)成，并通過(guò)體積分?jǐn)?shù)約為5%的生物高分子在層間進(jìn)行粘合。
在這種情況下，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種復(fù)合材料，其靈感來(lái)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(shuō)，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(duì)珍珠的強(qiáng)度有顯著貢獻(xiàn)，而生物聚合物則增加了柔韌性和抗裂性。這種增韌機(jī)制涉及文石片在壓力下滑動(dòng)，這與其他機(jī)制一起，使珍珠層耗散能量。這種滑動(dòng)作用，結(jié)合裂縫偏轉(zhuǎn)和生物聚合物變形，使珍珠層能夠承受巨大的機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)保持其結(jié)構(gòu)完整性，使其既堅(jiān)固又有彈性。
普林斯頓大學(xué)的研究小組受珍珠粉的啟發(fā)，利用傳統(tǒng)的建筑材料，如波特蘭水泥漿和有限數(shù)量的聚合物，開(kāi)發(fā)出了創(chuàng)新的復(fù)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(guò)交替使用薄層聚合物來(lái)制造多層小梁。然后對(duì)這些梁進(jìn)行缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，其中每個(gè)梁在彎曲下進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估抗裂性（或斷裂韌性）。
抗裂性方面的具體機(jī)理
研究人員制造了三種類(lèi)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(duì)于第二種類(lèi)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(lèi)型與第三種相似，但研究人員完全切斷了水泥，創(chuàng)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(lèi)型與參考固體（整體）澆筑水泥漿料進(jìn)行比較。
實(shí)驗(yàn)表明，參考梁的破壞是脆性的，這意味著梁在達(dá)到破壞點(diǎn)時(shí)突然完全斷裂，沒(méi)有延性。有溝槽和無(wú)溝槽交替層的梁顯示出增加的延性和抗裂性。最顯著的結(jié)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(lèi)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(shí)保持與固體水泥膏體梁幾乎相同的強(qiáng)度。
這種新型水泥復(fù)合材料在提高抗裂性方面的具體機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
纖維增強(qiáng)：鋼纖維和工程纖維等增強(qiáng)材料可以有效阻礙水泥基材料中微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高其抗裂能力。例如，鋼纖維通過(guò)與水泥基體之間的相互作用，降低裂縫尖端的最大應(yīng)力，從而防止裂縫的擴(kuò)展。
應(yīng)變硬化：應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（SHCC）具有拉伸應(yīng)變硬化特性，在破壞失效前會(huì)產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，這些細(xì)密裂縫有助于分散應(yīng)力，減少裂縫的寬度和數(shù)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(shù)：通過(guò)納米改性和聚合物等技術(shù)，從分子到微納觀層次調(diào)控水化產(chǎn)物，改善基體和界面過(guò)渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)，從而提高水泥基體的韌性和抵抗開(kāi)裂的能力。
氧化石墨烯增強(qiáng)：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(dāng)GO摻量增加時(shí)，改性水泥砂漿的斷裂參數(shù)也隨之改善。
多次開(kāi)裂性能：工程水泥基復(fù)合材料（ECC）由于其優(yōu)異的拉伸應(yīng)變硬化和多次開(kāi)裂性能，能夠在極限拉應(yīng)變作用下形成多縫開(kāi)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(chǎng)上的其他創(chuàng)新性水泥
目前市場(chǎng)上存在多種新型水泥，它們的性能各有特點(diǎn)，與普林斯頓大學(xué)開(kāi)發(fā)的新型水泥相比，各有優(yōu)劣。
硫鋁酸鹽水泥和貼鋁酸鹽水泥：這些水泥具有節(jié)能、早強(qiáng)、高強(qiáng)的特點(diǎn)，并且可以在負(fù)溫環(huán)境中凝結(jié)硬化，強(qiáng)度不會(huì)降低。而普林斯頓大學(xué)的新型水泥在抗裂性方面表現(xiàn)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(qiáng)度和耐寒性方面有優(yōu)勢(shì)，但在抗裂性和整體性能上可能不如普林斯頓大學(xué)的新型水泥。
碳纖維、碳納米管和石墨烯復(fù)合材料：這些材料在水泥基復(fù)合材料中表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和壓敏性。而普林斯頓大學(xué)的新型水泥主要強(qiáng)調(diào)抗裂性，而碳纖維、碳納米管和石墨烯復(fù)合材料則更注重導(dǎo)電性和壓敏性。因此，兩者在應(yīng)用領(lǐng)域和性能指標(biāo)上有所不同。
劍橋大學(xué)的“零碳”水泥：這種新型材料無(wú)需使用硅酸鹽水泥和進(jìn)行水化反應(yīng)，但其性能與傳統(tǒng)材料仍有差距。而普林斯頓大學(xué)的新型水泥在抗裂性方面有顯著提升，而劍橋大學(xué)的“零碳”水泥則更注重環(huán)保和可持續(xù)性。兩者在性能和應(yīng)用領(lǐng)域上有不同的側(cè)重點(diǎn)。
普林斯頓大學(xué)的新型水泥在抗裂性方面表現(xiàn)優(yōu)異，而其他新型水泥則在節(jié)能、早強(qiáng)、高強(qiáng)、導(dǎo)電性和壓敏性等方面各有優(yōu)勢(shì)。
“我們的生物工程方法不僅僅是復(fù)制自然微觀結(jié)構(gòu)。我們想了解基本原理并利用它們來(lái)開(kāi)發(fā)人造材料。賦予珍珠層強(qiáng)度的關(guān)鍵機(jī)制之一是納米級(jí)板的滑動(dòng)。我們通過(guò)創(chuàng)建與聚合物平衡的水泥結(jié)構(gòu)來(lái)關(guān)注這一機(jī)制。換句話說(shuō)，我們故意在脆性材料中制造缺陷，通過(guò)設(shè)計(jì)使它們變得更堅(jiān)固，”研究合著者 Reza Moini 解釋道。
研究人員指出，這些發(fā)現(xiàn)是基于實(shí)驗(yàn)室條件的，需要額外的工作和研究來(lái)開(kāi)發(fā)在現(xiàn)場(chǎng)使用的技術(shù)。他們正在努力確定這種結(jié)構(gòu)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(shuō)：“將有許多設(shè)計(jì)可能性來(lái)探索和設(shè)計(jì)本構(gòu)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(yīng)。”
文章來(lái)源： 知新了了，熙瀚認(rèn)知，前沿技技
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