NTU向贝壳取经,让坚硬陶瓷不再那么怕裂

2026/08/22   •   2阅
陶瓷虽硬却易碎?南洋理工大学(NTU)研究团队从鲍鱼壳珍珠母中获得灵感,通过模仿其独特的层状结构与矿物纳米桥,成功研发出一种兼具极高韧性与耐高温性能的新型仿生陶瓷。该材料断裂韧性大幅提升,且在1300°C高温下依然稳定,为医疗植入物及航空航天领域带来了突破性可能。快来了解大自然如何启发材料科学的革命!

陶瓷够硬、耐高温、耐腐蚀,却有一个绕不开的弱点——脆。一旦裂纹出现,材料往往会迅速断裂。如今,南洋理工大学(NTU)研究团队从鲍鱼壳内层的珍珠母中找到灵感,希望让陶瓷在保持坚硬和耐高温的同时,也能更好地抵抗裂纹扩展。

陶瓷够硬,却一直怕裂

陶瓷之所以被广泛应用于工程和医疗领域,很大程度上得益于它的高强度、高硬度以及良好的耐热、耐化学腐蚀性能。但这些优势往往也伴随着一个难题:一旦裂纹形成,陶瓷很容易突然失效。

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鲍鱼壳内层的珍珠层启发了一种设计更坚固陶瓷的新方法。

图片:Dagmara Dombrovska / Pexels

NTU机械与航空航天工程学院法然德副教授(Hortense Le Ferrand)的团队长期研究仿生材料。这一次,他们把目光投向了鲍鱼壳内侧的珍珠母。珍珠母几乎由矿物构成,却比许多人造陶瓷更能抵抗裂纹,这背后的关键就在于它独特的微观结构。

在显微结构下,珍珠母就像一堵精密的“砖墙”:一层层矿物微片如同“砖块”,不同层之间的界面则能够让裂纹减速、转向,而不是一路笔直地穿透材料。过去,科研人员常通过加入柔软界面来模仿这一结构,但这些柔软材料难以承受高温,在潮湿等复杂环境中的稳定性也会受到限制。

不靠柔性材料,用矿物“桥”拦住裂纹

这一次,NTU团队提出了一个不同的思路:如果不用柔性聚合物,也能让裂纹“绕路”,是不是就能同时兼顾韧性和耐高温性能?

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该研究的第一作者和首席研究员是Rohit Pratyush Behera博士。他目前是德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的博士后研究员,继续从事仿生增韧陶瓷设计方面的研究。 这项研究的第一作者 Rohit Pratyush Behera 博士在法然德副教授团队攻读博士期间开始相关研究,并在NTU从事博士后研究时继续推进。他提出在氧化铝微片之间引入氧化锆,并与法然德副教授共同发展出一种完全由陶瓷材料构成的结构。

团队重点研究了类似天然珍珠母中“纳米桥”的矿物连接结构。实验发现,这些矿物桥既不能太少,也不能太多:连接过少,陶瓷微片容易分离;连接过多,界面又会过于牢固,裂纹反而可能直接穿过陶瓷。只有控制好矿物桥的宽度和覆盖范围,才能让裂纹在材料内部改变方向,并在传播过程中逐步消耗更多能量。

在制造过程中,团队采用的是磁辅助注浆成型。研究人员先让陶瓷微片对磁场产生响应,再利用旋转磁场控制它们在液体中的排列方向,待结构成型后进行高温烧制,从而获得具有精确内部排列的仿生陶瓷。

韧性提升,还能扛住高温

实验结果显示,优化后的材料断裂韧性达到 13.9 MPa·m⁰·⁵,约为天然珍珠母的两倍,也超过目前牙科植入物所使用氧化锆材料的两倍。

在高温测试中,这种材料在 500°C条件下仍保持机械稳定,即使加热至 1300°C,形状变化也较为有限。同时,它还表现出较强的振动能量耗散能力。研究人员认为,这主要来自氧化锆矿物桥和氧化铝微片之间产生的微小摩擦运动,而不是依靠额外加入的柔性材料。

为了验证这一设计能否用于更复杂的结构,团队还利用人类臼齿模具制作了一个牙齿形陶瓷结构。研究人员模仿牙釉质与牙本质不同的力学特性,通过调整同一种陶瓷在不同区域的内部排列,制造出机械性能逐渐变化的结构。

初步细胞实验中,与骨形成有关的细胞能够在这种陶瓷表面附着,并在七天内增殖。不过,研究团队也强调,这只是早期结果,距离真正用于人体医疗仍需要进一步的生物学和临床测试。

这项研究已发表在 Advanced Functional Materials。更重要的是,团队提出的并不只是某一种新陶瓷,而是一套可以帮助研究人员调控脆性材料裂纹传播方式的设计框架。未来,类似思路还可能被应用到其他层状或片状脆性材料中。

📌 要点总结

NTU团队从鲍鱼壳珍珠母获得灵感通过模仿其层状结构和矿物连接方式,希望解决传统陶瓷“硬但易脆裂”的问题。

不依赖柔性聚合物,靠矿物纳米桥控制裂纹团队利用氧化锆矿物桥连接氧化铝微片,并通过控制其宽度和覆盖范围,让裂纹减速、转向,从而提高材料韧性。

材料兼顾强韧与高温稳定性优化后的陶瓷断裂韧性达到13.9 MPa·m⁰·⁵,并在高温测试及初步细胞实验中展现出良好表现,团队还成功制成牙齿形结构进行概念验证。

从不起眼的贝壳,到可以“设计裂纹走向”的新型陶瓷,大自然的结构智慧又一次给材料科学提供了新答案。你觉得这种仿生材料未来最值得期待的应用会是什么?

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