普林斯顿大学的工程师们开发了一种新的水泥复合材料，灵感来自贝壳珠质，大大提高了其耐久性和灵活性。

普林斯顿大学的工程师们从牡蛎和鲍鱼壳中的材料中获得灵感，开发了一种新的水泥复合材料。这种创新材料的抗裂性是传统水泥的17倍，柔韧性和可变形性是传统水泥的19倍。这一突破可以显著提高从混凝土到瓷器等各种脆性陶瓷材料的抗裂性。

“如果我们能设计出抗裂缝扩展的混凝土，我们就能让它更坚固、更安全、更耐用，”土木与环境工程系雷扎·莫伊尼（Reza Moini）实验室的研究生、研究员沙尚克·古普塔（Shashank Gupta）说。

在6月10日发表在《高级功能材料》杂志上的一篇文章中，土木与环境工程助理教授莫伊尼领导的研究小组报告说，制造表状水泥浆和薄聚合物的交替层，可以显著提高抗裂性和变形能力，而不会完全断裂（延展性）。

仿生设计和测试

莫伊尼的实验室在研究建筑材料时经常从生物学中寻找灵感。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。

古普塔说：“硬质和软质成分之间的协同作用对珍珠珠卓越的机械性能至关重要。”

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）。

实验结果与观察

在实验中，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。

“我们受生物启发的方法不是简单地模仿自然的微观结构，而是从基本原理中学习，并将其用于人造材料的工程设计。使珍珠壳坚韧的关键机制之一是平板在纳米水平上的滑动。在这里，我们通过设计水泥浆体的内置表格结构来平衡聚合物的性质和它们之间的界面，从而专注于片剂滑动的机制。”莫伊尼说。“换句话说，我们有意设计脆性材料中的缺陷，通过设计使其更坚固。”

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。”

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