现代工业对防护结构材料的设计提出了多维度的性能要求。在实现轻量化的同时，必须兼顾优异的力学性能，并针对不同应用场景需要具有特殊功能。例如，通信设备的外部防护壳体需兼具出色的机械性能与优异的透波性能；军事装备的防护体系则要求在保障力学性能的基础上实现光学伪装功能。自然界中的生物铠甲通过相应的设计策略既保持防御所需的机械强度，又能实现与周围环境色度匹配的伪装效果。其中，珍珠母凭借其精密的多级微观结构展现出远超组成成分的断裂韧性，为人工材料设计提供了重要的仿生启示。然而，如何将这种自然界结构设计有效应用于工程材料体系，特别是在具有优异力学性能的前提下实现功能集成，仍然是亟待解决的一个瓶颈。
近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队在《先进材料》（Advanced Materials）上刊发了以“Mechanical robust nacre-mimetic composites with designable cryptic coloration andelectromagneticwave-transparent performance”为题的研究成果，报道了一种结构功能一体化设计的仿珍珠母复合材料。该复合材料不仅具备独特的颜色可调性和优异的透波性能，同时实现了轻量化、高强度、高韧性以及出色的抗冲击性能。中国科学技术大学博士研究生庞俊、南方科技大学博士后张振邦和我校博士后王泽宇为论文共同第一作者。俞书宏院士与高怀岭特任教授为通讯作者。
图1.仿珍珠母复合材料的双氧化物设计策略示意图。
研究团队提出了一种双氧化物界面设计策略，通过自蒸发组装与高温烧结的方式制备出了新型仿珍珠母氧化铝陶瓷基复合材料（图1）。该设计策略通过构建氧化铝微米片之间的矿物桥结构显著提升了机械强度和韧性（图2a和b），同时利用固相反应调控组装微米片界面化学成分实现了可控着色（图2c）。研究结果表明，这种仿生复合材料的断裂韧性（~12.2 MPa m1/2）是商用氧化铝陶瓷的3倍多以上（图2d）；其吸收的冲击能量达到商用氧化铝陶瓷的4倍以上（图2e）。
图2.仿珍珠母复合材料的多尺度结构、力学性能及透波性能。（a）仿珍珠母复合材料的“砖-泥”结构；（b）仿珍珠母复合材料的矿物桥结构；（c）氧化铝微米片上的纳米级显色钴铝尖晶石结构；（d）仿珍珠母复合材料的断裂韧性；（e）仿珍珠母复合材料的抗冲击性能；（f）仿珍珠母复合材料的力学强度和介电常数，及其与一系列聚合物和陶瓷的Ashby图对比分析。
此前的研究主要关注珍珠母仿生结构对力学性能的调控作用，而忽略了其对电磁波传输特性方面的影响。研究团队基于珍珠母结构的启发，提出了一种电磁波传输设计理念，其高效透波性能来源于层状陶瓷框架与低介电常数聚合物形成的微米级透波通道、无定形二氧化硅矿物桥以及单晶氧化铝微米片的光轴垂直取向。因此，该结构设计实现了力学性能与透波性能的协同增强（图2f）。
这项研究在仿生结构材料的机械鲁棒性、色彩伪装功能和透波功能的多性能集成方面取得了重要进展。这种双重效益的设计策略为机械性能和功能特性的整合提供了一个设计理念平台，为研发兼具隐身与防护性能的仿生层状结构材料提供指导。
该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、新基石研究员项目、国家自然科学基金重大项目、安徽省重大基础研究项目等资助，以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202416535