9月11日，中科院網(wǎng)站發(fā)布了上硅所科研董紹明院士團(tuán)隊(duì)在陶瓷基復(fù)合材料多功能設(shè)計(jì)方面取得的進(jìn)展——包括研發(fā)了具有負(fù)泊松比（譯者注）、高比強(qiáng)度、超彈性和高抗壓強(qiáng)度的陶瓷基復(fù)合材料；以及在此基礎(chǔ)上結(jié)合向心冷凍鑄造及化學(xué)氣相沉積技術(shù)，形成內(nèi)凹取向結(jié)構(gòu)和“BN/石墨烯/BN”三明治片層，獲得具有層次結(jié)構(gòu)的陶瓷基復(fù)合材料等。

陶瓷基復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)及超材料屬性

天然材料的機(jī)械性能往往隨著密度的降低而急劇惡化。輕質(zhì)多孔材料面臨著強(qiáng)度低、抗疲勞性能差等問題。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)建輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)超材料，有望改善多孔材料隨密度降低而強(qiáng)度劇烈衰減的現(xiàn)象。通過優(yōu)化多孔材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將多孔材料的功能作用和機(jī)械超材料屬性的力學(xué)增強(qiáng)作用相融合，獲得輕質(zhì)彈性、耐用的陶瓷基復(fù)合材料并探究其多功能應(yīng)用具有重要的研究意義。

注：泊松比與材料性能

泊松比（Poisson's ratio）是一種用來描述材料在受力時(shí)的變形行為的物理參數(shù)：泊松比（ν）=橫向收縮或壓縮變形/縱向拉伸變形。具體來說，當(dāng)一個(gè)材料受到縱向的拉伸力時(shí)，它會(huì)在橫向產(chǎn)生一定程度的壓縮或收縮變形。常見材料具有正泊松比，意味著材料在拉伸時(shí)會(huì)橫向膨脹，而在壓縮時(shí)會(huì)橫向收縮。負(fù)泊松比材料非常罕見，在特定應(yīng)用中具有如減小振動(dòng)傳遞、提高材料的吸能能力等。

陶瓷基復(fù)合材料的高溫隔熱及高溫電磁屏蔽性能

DOI：10.1021/acsnano.3c03332(ACSNano)

輕質(zhì)蜂窩材料的定制設(shè)計(jì)因有效提高機(jī)械性能和功能應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。然而，強(qiáng)度衰減和脆性行為阻礙了陶瓷整體的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在此，通過向心冷凍鑄造和分層結(jié)構(gòu)相結(jié)合，定制了具有負(fù)泊松比和高比強(qiáng)度的陶瓷基復(fù)合超材料（CCM），具有超彈性、穩(wěn)定性和高抗壓強(qiáng)度。CCM在壓縮下保持負(fù)泊松比響應(yīng)，最低值達(dá)到-0.16，CCM的比模量與密度的關(guān)系為E～ρ^1.3，表明機(jī)械超材料具有高比強(qiáng)度的特性。除了分層結(jié)構(gòu)賦予的非凡機(jī)械性能外，CCM還具有優(yōu)異的隔熱和電磁干擾屏蔽性能，其導(dǎo)熱系數(shù)為30.62mW·m^–1·K^–1，電磁干擾（EMI）屏蔽效率（SE）在室溫下達(dá)到40dB。CCM的比EMI屏蔽效率除以厚度(SSE/t)可達(dá)9416dB·cm²·g^–1由于其高溫穩(wěn)定性比傳統(tǒng)陶瓷基復(fù)合材料高100倍，可在700℃下實(shí)現(xiàn)。此外，設(shè)計(jì)的分層結(jié)構(gòu)和超材料特性為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能協(xié)同優(yōu)化的細(xì)胞材料提供了潛在的方案。

向心冷凍制備向心石墨烯氣凝膠示意圖

DOI：10.1126/sciadv.abo1014(ScienceAdvances)

使用獨(dú)特的向心冷凍技術(shù)組裝了具有徑向結(jié)構(gòu)和負(fù)泊松比（NPR）的石墨烯超材料。在向心溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，冰晶向水性石墨烯分散體的中心生長(zhǎng)，并形成放射狀排列的骨架。當(dāng)冰晶升華時(shí)，在巨石的對(duì)角線上形成了凹入結(jié)構(gòu)。所獲得的向心石墨烯超材料（CGM）具有NPR響應(yīng)。CGM在50%壓縮下保持NPR，在10%應(yīng)變下達(dá)到最小值(-0.18)。在50%應(yīng)變下進(jìn)行50次壓縮循環(huán)后，CGM保留了大約96%的原始?jí)嚎s強(qiáng)度。徑向通道賦予CGM快速吸收動(dòng)力學(xué)，NPR響應(yīng)有效地適應(yīng)了重復(fù)吸附-再生循環(huán)過程中體積收縮造成的損壞。該策略是實(shí)現(xiàn)NPR響應(yīng)并提高多孔材料力學(xué)性能的有效方法。

參考來源：中科院上硅所

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