具有微纳多级增强结构的氧化锆、羟基磷灰石基复合材料的可控制备及力学特性研究

One of the most ambitious goals in structural materials is the development of lightweight materials with superior strength and toughness simultaneously. However, strength and toughness are considered as opposite in traditional structural materials. Thus, novel design strategies for structural materials with high strength and toughness simultaneously are in urgent demand. In this project, we will take low-density and high-hardness zirconium oxide (ZrO2) and hydroxyapatite (HAP) as basic block, and design some new kinds of micro/nano hierarchical structures. Then, we will develop some kinds of controllable assembly methods which can assemble the ZrO2 and HAP into target structure and obtain the ceramic skeletons with the micro/nano hierarchical structure. Subsequently, we will compose the ceramic skeletons with high mechanical performance polymer to synthesize ceramic based composites with inner micro/nano hierarchical structure. What’s more, the advanced characterization methods and in-situ mechanical test system will be adopted to analyze the surface state and the strengthening and toughening mechanisms. The structure-property rules will be summarized, which will direct the control of synthesis of composites to optimize the mechanical properties. Finally, we will successfully synthesize the structural materials reinforced by micro/nano hierarchical structure, which show high strength and high toughness simultaneously.

轻质、高强、高韧材料一直是结构材料发展的重要目标，但是强度和韧性在传统的材料中被认为是相悖的性能，因此亟需新的结构材料设计理念来实现兼具高强高韧材料的制备。本项目拟以低密度、高硬度的氧化锆（ZrO2）,羟基磷灰石（HAP）等陶瓷材料作为研究对象，设计几种新颖的微纳多级增强结构，发展几种新的微纳米材料组装方法来实现ZrO2、HAP等的目标多级结构的宏观尺寸可控构筑，得到具有微纳多级增强结构的陶瓷骨架；随后将其与高性能聚合物复合，获得具有微纳多级增强结构的陶瓷基复合材料；利用先进的微纳米材料表征手段、原位力学测试系统，对复合材料的表界面状态以及增强增韧机制进行分析，总结完备的结构-性能规律，反馈调控材料的制备，实现材料性能最优化，最终制备得到兼具高强高韧的新型结构材料。

高强、高韧、高硬、高弹对材料的工程作用起关键作用，但是在传统材料中被认为是相悖的性能。依托本项目的支持，申请人针对这一科学问题，基于在复合材料中引入微纳增强结构的设计理念，以羟基磷灰石（HA）、氧化锆等陶瓷基复合材料为主要研究对象，制备了一系列高强高韧、高硬高弹的微纳复合材料，并对其力学性能进行系统研究，揭示其构效关系。我们发展了基于材料成核与生长平衡的湿化学法，制备了一维HA、ZrO2、氧化铝纳米线，二维氧化锆薄层等，且其物相可在晶体、非晶、晶体\非晶复合间调控，研究了其形貌及物相调控的机理，为高性能复合材料的制备提供了基础结构单元；提出了双向冰模板法、层层堆叠等微纳米材料可控组装方法，制备得到了羟基磷灰石基类牙釉质复合材料、氧化硅基层状透明复合材料、氧化铝纳米线增强层状复合材料，并研究了非晶氧化锆在受损牙釉质表面的修复效果，系统探索了微纳米材料的组装机制及结构调控；利用先进的宏观/微观力学测试系统，测试了结构增强复合材料的强度、韧性、模量、硬度、粘弹性等力学性能，并原位观察材料的力学行为，从纳米尺度揭示了界面增强、应力耗散、裂纹稳定拓展、结构限域等材料的增强增韧机制，反馈指导材料的合成，实现性能最优化。我们的工作为新一代高性能微纳复合材料的设计合成提供了一种新思路，促进了综合力学性能优异的工程材料的发展。