大自然似乎无所不能。它聪明、高效、创新。这就是为什么世界各地的科学家和工程师在实验室里竞相“模仿”大自然。与模仿自然有关的研究领域称为仿生学。
近期，普林斯顿的工程师们从珍珠母的构造中获得灵感，开发出一种新型的水泥复合材料，其抗裂性能是标准水泥的17倍，可拉伸性提高19倍。这种生物启发型复合材料通过在水泥浆和聚合物之间交替层压制造，可能增强从混凝土到瓷器等各种脆性陶瓷材料的耐久性。
从牡蛎和鲍鱼壳中获得灵感
普林斯顿大学的工程师们发明的新型水泥复合材料，其抗裂性和拉伸变形能力显著高于标准水泥，这得益于其内部结构受到珍珠层的启发，珍珠层是一种柔韧的材料，覆盖在鲍鱼和牡蛎等软体动物的贝壳内部。
新型水泥复合材料从牡蛎和鲍鱼壳中获得灵感，主要利用了这些贝壳中的有机-无机多级次层状结构以及大量的复合界面作用。具体来说，牡蛎壳富含碳酸钙，这种成分被用于制造建筑材料，以减少水产养殖废物对环境的污染，并促进经济可持续性。而鲍鱼壳的主要成分也是碳酸钙，但其独特的层状结构主要由霰石碳酸钙片层构成，并通过体积分数约为5%的生物高分子在层间进行粘合。
在这种情况下，该团队开发了一种复合材料，其灵感来自于一种称为珍珠的天然材料，或珍珠之母，这种材料存在于某些贝壳中。古普塔说，在微观层面上，珍珠层是由一种柔软的生物聚合物粘合在一起的六边形硬矿物文石片组成的。
文石片对珍珠的强度有显著贡献，而生物聚合物则增加了柔韧性和抗裂性。这种增韧机制涉及文石片在压力下滑动，这与其他机制一起，使珍珠层耗散能量。这种滑动作用，结合裂缝偏转和生物聚合物变形，使珍珠层能够承受巨大的机械应力，同时保持其结构完整性，使其既坚固又有弹性。
普林斯顿大学的研究小组受珍珠粉的启发，利用传统的建筑材料，如波特兰水泥浆和有限数量的聚合物，开发出了创新的复合材料。他们用一种高度可拉伸的聚合物 —— 聚乙烯醇硅氧烷，交替使用水泥糊层。研究人员通过交替使用薄层聚合物来制造多层小梁。然后对这些梁进行缺口三点弯曲试验，其中每个梁在弯曲下进行测试，以评估抗裂性（或断裂韧性）。
抗裂性方面的具体机理
研究人员制造了三种类型的光束。第一种是由水泥浆板和薄聚合物交替层组成的。对于第二种类型，他们使用激光在水泥糊板上雕刻六角形凹槽。然后将这些有凹槽的薄片与薄聚合物层堆叠在一起。第三种类型与第三种相似，但研究人员完全切断了水泥，创造了由聚合物层连接的分离的六角形片。这些水泥糊片位于聚合物层之上，就像文石位于珍珠层中的生物聚合物层一样。将这三种类型与参考固体（整体）浇筑水泥浆料进行比较。
实验表明，参考梁的破坏是脆性的，这意味着梁在达到破坏点时突然完全断裂，没有延性。有沟槽和无沟槽交替层的梁显示出增加的延性和抗裂性。最显著的结果是在具有完全分离的六角形片的光束中观察到的，这些片类似于珍珠层。这些梁具有19倍的延性和17倍的断裂韧性，同时保持与固体水泥膏体梁几乎相同的强度。
这种新型水泥复合材料在提高抗裂性方面的具体机理主要体现在以下几个方面：
纤维增强：钢纤维和工程纤维等增强材料可以有效阻碍水泥基材料中微裂缝的产生和发展，从而提高其抗裂能力。例如，钢纤维通过与水泥基体之间的相互作用，降低裂缝尖端的最大应力，从而防止裂缝的扩展。
应变硬化：应变硬化水泥基复合材料（SHCC）具有拉伸应变硬化特性，在破坏失效前会产生多条细密裂缝，这些细密裂缝有助于分散应力，减少裂缝的宽度和数量，从而提高材料的耐久性和抗裂性。
纳米改性和聚合物技术：通过纳米改性和聚合物等技术，从分子到微纳观层次调控水化产物，改善基体和界面过渡区的微结构，从而提高水泥基体的韧性和抵抗开裂的能力。
氧化石墨烯增强：将氧化石墨烯（GO）加入水泥砂浆中，可以显著提高其抗裂性和韧性。GO提高了水泥砂浆试件的起裂韧度，当GO掺量增加时，改性水泥砂浆的断裂参数也随之改善。
多次开裂性能：工程水泥基复合材料（ECC）由于其优异的拉伸应变硬化和多次开裂性能，能够在极限拉应变作用下形成多缝开裂形式且裂缝宽度较小，这有助于提高材料的整体抗裂性。
市场上的其他创新性水泥
目前市场上存在多种新型水泥，它们的性能各有特点，与普林斯顿大学开发的新型水泥相比，各有优劣。
硫铝酸盐水泥和贴铝酸盐水泥：这些水泥具有节能、早强、高强的特点，并且可以在负温环境中凝结硬化，强度不会降低。而普林斯顿大学的新型水泥在抗裂性方面表现突出，提高了17倍。而硫铝酸盐水泥和贴铝酸盐水泥虽然在早期强度和耐寒性方面有优势，但在抗裂性和整体性能上可能不如普林斯顿大学的新型水泥。
碳纤维、碳纳米管和石墨烯复合材料：这些材料在水泥基复合材料中表现出良好的导电性和压敏性。而普林斯顿大学的新型水泥主要强调抗裂性，而碳纤维、碳纳米管和石墨烯复合材料则更注重导电性和压敏性。因此，两者在应用领域和性能指标上有所不同。
剑桥大学的“零碳”水泥：这种新型材料无需使用硅酸盐水泥和进行水化反应，但其性能与传统材料仍有差距。而普林斯顿大学的新型水泥在抗裂性方面有显著提升，而剑桥大学的“零碳”水泥则更注重环保和可持续性。两者在性能和应用领域上有不同的侧重点。
普林斯顿大学的新型水泥在抗裂性方面表现优异，而其他新型水泥则在节能、早强、高强、导电性和压敏性等方面各有优势。
“我们的生物工程方法不仅仅是复制自然微观结构。我们想了解基本原理并利用它们来开发人造材料。赋予珍珠层强度的关键机制之一是纳米级板的滑动。我们通过创建与聚合物平衡的水泥结构来关注这一机制。换句话说，我们故意在脆性材料中制造缺陷，通过设计使它们变得更坚固，”研究合著者 Reza Moini 解释道。
研究人员指出，这些发现是基于实验室条件的，需要额外的工作和研究来开发在现场使用的技术。他们正在努力确定这种结构的断裂韧性和延展性，是否适用于水泥浆以外的其他陶瓷材料，比如混凝土。“我们只是触及了表面，”莫伊尼说：“将有许多设计可能性来探索和设计本构的硬、软材料特性、界面和几何方面，这些都是建筑材料的基本尺寸效应。”
文章来源： 知新了了，熙瀚认知，前沿技技
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551262.html
来源：贤集网
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