【背景介紹】

眾所周知，玻璃因其光學(xué)性能、硬度、耐久性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用。然而，玻璃在室溫下沒(méi)有大的變形或增韌機(jī)制，導(dǎo)致其抗沖擊性較差。目前，除了利用回火來(lái)提高強(qiáng)度和抗沖擊性外，就是在玻璃板中嵌入軟聚合物層，形成夾層玻璃。但是這些方法并不能真正提高斷裂韌性，所以玻璃部件仍然是汽車(chē)等應(yīng)用中最薄弱的結(jié)構(gòu)元件。然而，珍珠層是一種存在于貝殼中的生物復(fù)合材料。這種復(fù)合材料中含有少量的有機(jī)材料，從而使易碎的陶瓷變硬，因此高度規(guī)則的微觀礦物片的三維實(shí)體組件與生物聚合物可以粘合在一起。在拉力作用下，數(shù)百萬(wàn)微片可以在大體積上相互滑動(dòng)，但是制造大量微觀珍珠層狀復(fù)合材料仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。同時(shí)，大規(guī)模微片滑動(dòng)是天然珍珠層狀復(fù)合材料的關(guān)鍵機(jī)制，但是在合成珍珠層狀復(fù)合材料中基本上不存在。因此，制備出一種珍珠層狀復(fù)合材料，以玻璃材料的脆性問(wèn)題，具有巨大的研究?jī)r(jià)值。

【成果簡(jiǎn)介】

今日，加拿大麥吉爾大學(xué)的F. Barthelat教授（通訊作者）課題組針對(duì)玻璃固有的脆性和較差的抗沖擊性，采用分層和回火也不能抑制其脆性的問(wèn)題。提出了一種仿生夾層玻璃，其仿造了軟體動(dòng)物貝殼珍珠層的三維磚和砂漿排列。制備出仿生夾層玻璃具有周期性的三維結(jié)構(gòu)和透明熱塑性彈性體制成的夾層。這種珍珠層狀復(fù)合材料重現(xiàn)了壓片滑動(dòng)機(jī)制，其平板滑動(dòng)在大體積上產(chǎn)生非線性變形，顯著提高了其韌性。這種類(lèi)似珍珠層的玻璃保持了高強(qiáng)度和剛度，同時(shí)比夾層玻璃和鋼化玻璃的抗沖擊性高出兩到三倍。研究成果以題目為“Impact-resistant nacre-like transparent materials”發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Science上。

【圖文解讀】

圖一、珍珠狀玻璃板的設(shè)計(jì)與制造

（A）天然珍珠層由95%體積的礦物片制成，用較軟的有機(jī)砂漿粘合；（B）珍珠狀玻璃板的制造方案；（C）平板幾何和重疊結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)；（D）與普通夾層面板相比，珍珠色玻璃板的透光率。

圖二、小珍珠狀玻璃面板的穿孔

（A）實(shí)驗(yàn)裝置：以準(zhǔn)靜態(tài)速率用加載鼻刺穿簡(jiǎn)單支撐的玻璃面板；（B）純硼硅酸鹽玻璃和純EVA板、普通層狀面板和具有[5A]和[1P4A]層結(jié)構(gòu)的珍珠層面板的穿透力-位移曲線；（C）穿孔前和穿孔過(guò)程中的普通層狀面板和珍珠狀面板；（D, E）性能圖顯示（D）不同材料和設(shè)計(jì)的最大壓力與剛度以及（E）穿刺能量與最大壓力的關(guān)系。

圖三、顯微CT掃描和分析普通層狀和珍珠層狀面板

（A）穿刺樣本的三維顯微層析成像透視圖；（B）最下層夾層中滑動(dòng)距離的圖，顯示在珍珠層狀設(shè)計(jì)中有更大且更分散的滑動(dòng)；（C）面板最下層中間層中的SMI圖，也顯示滑動(dòng)矢量；（D）顯示了對(duì)應(yīng)于SMI的三個(gè)值的三個(gè)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖四、大型珍珠層狀面板和其他透明材料的沖擊試驗(yàn)

（A）實(shí)驗(yàn)裝置：簡(jiǎn)單支撐的面板以2.34 m/s的速度受到?jīng)_擊；（B）六種設(shè)計(jì)和沖擊試驗(yàn)材料的穿刺能量與質(zhì)量密度性能圖；（C）來(lái)自高速攝影的相應(yīng)快照。

【小結(jié)】

綜上所述，作者制備的透明玻璃復(fù)制了單個(gè)片劑在三維和大體積上的大規(guī)模滑動(dòng)機(jī)制。這種機(jī)制是由夾層的剪切介導(dǎo)的，其中夾層吸收了大量的機(jī)械能，使得材料具有良好的韌性、優(yōu)異的抗沖擊性、完美的失效和損傷容限。這些珍珠狀的面板表明了一個(gè)相對(duì)大尺寸但具有高階次和周期性的材料是如何比更小且更無(wú)序的微觀結(jié)構(gòu)更可取的。此外，激光雕刻和層壓制造方法是便宜且相對(duì)容易實(shí)施的大規(guī)模生產(chǎn)耐沖擊珍珠狀玻璃面板，有助于該復(fù)合材料在窗戶(hù)、光伏系統(tǒng)、建筑材料和電子設(shè)備中的應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Impact-resistant nacre-like transparent materials （Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw8988）