最近，一項利用氧化鋁和金屬制備仿生“玻璃陶瓷”的研究成果發表在自然通訊上，該新型陶瓷的機械性能范圍可控，并且這種仿生陶瓷材料的性能仍有上升空間。

氧化鋁/BMG合金材料的掃描電鏡照片

陶瓷材料具備耐高溫、抗腐蝕、低密度等很多優勢，因此被寄望用于航空航天、能源運輸等常常要面對惡劣工況的行業。但它們的延展性和韌性表現不佳，很容易導致災難性事故發生，這嚴重限制和影響了它們的應用。

自然界中有殼類軟體動物給研究人員以啟發，生物質殼更像是由“磚”和“砂漿”所構成，實現了增韌和強化機制。對微觀結構的觀察可知，磚可以提供強度，而砂漿則有助于消除局部應力，提供韌性。此次研究就是以微米級氧化鋁陶瓷為“磚”，以金屬為“砂漿”的思路而進行。挑戰之處在于金屬與陶瓷的有機結合。

研究團隊采用了“冷凍鑄造”（freeze-casting）來解決這個問題。冷凍鑄造是一種將陶瓷顆粒混合在水中，利用溫差冷凍誘導生長出多孔陶瓷，而在冰升華之后，就可以制備出結構復雜的多孔陶瓷結構。此前曾有用聚合物填充冷凍鑄造氧化鋁陶瓷的研究，而此次的研究則使用金屬來替代聚合物。

此外，為了增加熔融金屬與陶瓷的浸潤結合，研究團隊采用了鋯基金屬玻璃bulk-metallic glass(BMG)為砂漿，還添加了鎂作為活性物質，另對陶瓷結構做了表面涂層等工作。該研究由能源部（DOE）和材料科學與工程部（MSED）等美國政府職能部門資助，并得到了勞倫斯國家實驗室（LBNL）等科研機構的支持。

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https://www.nature.com/articles/s41467-019-08753-6

YUXI 編譯