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上海硅酸鹽所在負泊松效應助力陶瓷基復合材料多功能設計方面取得進展


來源:上海硅酸鹽所

[導讀]  近期,中國科學院上海硅酸鹽研究所董紹明院士團隊研發(fā)了一種具有負泊松比、高比強度、超彈性和高抗壓強度的陶瓷基復合材料。

中國粉體網(wǎng)訊  天然材料的機械性能往往隨著密度的降低而急劇惡化,輕質(zhì)多孔材料面臨著強度低、抗疲勞性能差等瓶頸。通過結構優(yōu)化設計構建輕質(zhì)高強的力學超材料,有望改善多孔材料隨密度降低而強度劇烈衰減的現(xiàn)象。通過優(yōu)化多孔材料的結構設計,將多孔材料的功能作用和機械超材料屬性的力學增強作用相融合,獲得輕質(zhì)彈性、耐用的陶瓷基復合材料并探究其多功能應用具有重要研究意義。


近期,中國科學院上海硅酸鹽研究所董紹明院士團隊研發(fā)了一種具有負泊松比、高比強度、超彈性和高抗壓強度的陶瓷基復合材料。該材料兼具負泊松比及高比強度(E ~ ρ1.3)特性,并可實現(xiàn)高溫條件下隔熱及電磁屏蔽多功能應用。


前期,團隊利用向心冷凍鑄造技術,設計相互垂直的溫度梯度以改變冰晶的生長方向,最終形成內(nèi)凹向心結構,實現(xiàn)了負泊松比效應和優(yōu)異彈性。該成果以“Tailoring centripetal metamaterial with superelasticity and negative Poisson’s ratio for organic solvents adsorption”為題發(fā)表在Science Advances(DOI: 10.1126/sciadv.abo1014)。上海硅酸鹽所2019級博士研究生田力為第一作者,董紹明研究員和楊金山研究員為論文通訊作者。


在此基礎上,團隊結合向心冷凍鑄造及化學氣相沉積技術,形成內(nèi)凹取向結構和“BN/石墨烯/BN”三明治片層,獲得具有層次結構的陶瓷基復合材料,實現(xiàn)優(yōu)異的抗壓縮性能,具有負泊松比和高比強雙重超材料屬性。依賴于陶瓷組分的保護作用,該材料具有高效的隔熱性能,高溫下具有良好的電磁干擾屏蔽性能。在700℃時,比屏蔽效率(SSE/t)可達9416 dB·cm2·g-1。


基于負泊松比效應定制層次結構是實現(xiàn)結構穩(wěn)定性和多功能應用的關鍵。所設計的分層結構和超材料特性為實現(xiàn)陶瓷基復合材料結構功能一體化設計提供了一種新的方案。該成果以“Multifunctional Hierarchical Metamaterial for Thermal Insulation and Electromagnetic Interference Shielding at Elevated Temperatures”為題發(fā)表在ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.3c03332)。田力為第一作者,董紹明研究員和楊金山研究員為論文通訊作者。


向心冷凍制備向心石墨烯氣凝膠示意圖


陶瓷基復合材料的高溫隔熱及高溫電磁屏蔽性能


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青)

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