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Science:加拿大大学研发新型耐冲击的珍珠层状透明材料

文章来源: 材料人       发布时间:2019-06-28

6月27日,加拿大麦吉尔大学的F. Barthelat教授(通讯作者)课题组针对玻璃固有的脆性和较差的抗冲击性,采用分层和回火也不能抑制其脆性的问题。提出了一种仿生夹层玻璃,其仿造了软体动物贝壳珍珠层的三维砖和砂浆排列。制备出仿生夹层玻璃具有周期性的三维结构和透明热塑性弹性体制成的夹层。


这种珍珠层状复合材料重现了压片滑动机制,其平板滑动在大体积上产生非线性变形,显著提高了其韧性。这种类似珍珠层的玻璃保持了高强度和刚度,同时比夹层玻璃和钢化玻璃的抗冲击性高出两到三倍。研究成果以题目为“Impact-resistant nacre-like transparent materials”发表在国际顶级期刊Science上。


众所周知,玻璃因其光学性能、硬度、耐久性、热稳定性和化学稳定性而被广泛应用。然而,玻璃在室温下没有大的变形或增韧机制,导致其抗冲击性较差。目前,除了利用回火来提高强度和抗冲击性外,就是在玻璃板中嵌入软聚合物层,形成夹层玻璃。但是这些方法并不能真正提高断裂韧性,所以玻璃部件仍然是汽车等应用中最薄弱的结构元件。


然而,珍珠层是一种存在于贝壳中的生物复合材料。这种复合材料中含有少量的有机材料,从而使易碎的陶瓷变硬,因此高度规则的微观矿物片的三维实体组件与生物聚合物可以粘合在一起。在拉力作用下,数百万微片可以在大体积上相互滑动,但是制造大量微观珍珠层状复合材料仍然是一项重大挑战。同时,大规模微片滑动是天然珍珠层状复合材料的关键机制,但是在合成珍珠层状复合材料中基本上不存在。因此,制备出一种珍珠层状复合材料,以玻璃材料的脆性问题,具有巨大的研究价值。


【图文解读】


图一、珍珠状玻璃板的设计与制造

Science:加拿大大学研发新型耐冲击的珍珠层状透明材料

(A)天然珍珠层由95%体积的矿物片制成,用较软的有机砂浆粘合;


(B)珍珠状玻璃板的制造方案;


(C)平板几何和重叠结构的细节;


(D)与普通夹层面板相比,珍珠色玻璃板的透光率。


图二、小珍珠状玻璃面板的穿孔

Science:加拿大大学研发新型耐冲击的珍珠层状透明材料

Science:加拿大大学研发新型耐冲击的珍珠层状透明材料

(A)实验装置:以准静态速率用加载鼻刺穿简单支撑的玻璃面板;


(B)纯硼硅酸盐玻璃和纯EVA板、普通层状面板和具有[5A]和[1P4A]层结构的珍珠层面板的穿透力-位移曲线;


(C)穿孔前和穿孔过程中的普通层状面板和珍珠状面板;


(D, E)性能图显示(D)不同材料和设计的最大压力与刚度以及(E)穿刺能量与最大压力的关系。


图三、显微CT扫描和分析普通层状和珍珠层状面板

Science:加拿大大学研发新型耐冲击的珍珠层状透明材料

(A)穿刺样本的三维显微层析成像透视图;


(B)最下层夹层中滑动距离的图,显示在珍珠层状设计中有更大且更分散的滑动;


(C)面板最下层中间层中的SMI图,也显示滑动矢量;


(D)显示了对应于SMI的三个值的三个滑动机构的示意图。


图四、大型珍珠层状面板和其他透明材料的冲击试验

Science:加拿大大学研发新型耐冲击的珍珠层状透明材料

(A)实验装置:简单支撑的面板以2.34 m/s的速度受到冲击;


(B)六种设计和冲击试验材料的穿刺能量与质量密度性能图;


(C)来自高速摄影的相应快照。


综上所述,作者制备的透明玻璃复制了单个片剂在三维和大体积上的大规模滑动机制。这种机制是由夹层的剪切介导的,其中夹层吸收了大量的机械能,使得材料具有良好的韧性、优异的抗冲击性、完美的失效和损伤容限。这些珍珠状的面板表明了一个相对大尺寸但具有高阶次和周期性的材料是如何比更小且更无序的微观结构更可取的。此外,激光雕刻和层压制造方法是便宜且相对容易实施的大规模生产耐冲击珍珠状玻璃面板,有助于该复合材料在窗户、光伏系统、建筑材料和电子设备中的应用。


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