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摘 要：近几年来复合材料被应用于各种领域，越来越好的发展前景促使我们研究以更简便的方法制备更高性能的复合材料。采用冷冻铸造法（即冰模板法）是制备仿生结构复合材料的一种有效途径。冷冻铸造法操作简便、可以得到多尺度精细结构，采用该技术制备的仿珍珠贝层状结构复合材料具有高强韧性。
关键词：冷冻铸造法;复合材料;仿珍珠贝结构
随着军事、交通、航天航空以及新能源等领域的发展，对材料性能上的要求也越来越高，传统的单一材料（如金属、陶瓷等）已经不能满足应用要求。复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料是由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在;具有结构可设计性，可进行复合结构设计。复合材料具有单一材料不全具有的高强度、高模量、可在高温下使用、耐冲击性好、抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变、活性低、耐辐射、放射余热较低等诸多优异性能，使复合材料逐渐走入大众的视野并被当今社会广泛使用。根据材料的种类，复合材料可以分别为金属-陶瓷复合材料，陶瓷-聚合物复合材料和陶瓷-陶瓷复合材料，其中陶瓷基复合材料在高温环境下具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，目前在航空航天、核能、汽车、石油化工、微电子等多个领域得以广泛应用。但是陶瓷基复合材料中随着陶瓷含量的增加而脆性增加，限制了其广泛应用;另外其高强度、高硬度也给材料加工带来较大困难，尤其是带有复杂表面及内部结构的零部件，加工周期长，成本昂贵，已成为瓶颈问题[1]。
大自然的很多软体动物贝壳、海龟外壳、昆虫角质层等为了应对外来的攻击、避免内部组织的伤害，不仅具有良好的机械性能而且还呈现出较好的耐磨性，它们的矿化程度有所不同，一般作用为防护装甲和支撑功能。近年来，人们发现了来自大自然赠予我们的天然材料—贝壳。到现在为止，我们已经发现了5万多种贝壳，但是这5万种贝壳当中实际上只有7种微结构。在这7种微结构当中，有一种叫作珍珠母，它具有最好的力学性能。珍珠母是由硬相和软相交替层叠排列形成了―“砖?泥”纳米复合结构，其硬相―“砖”主要是由直径约为 5～8 μm、厚度約为 200～900 nm的文石片（CaCO3）组成，占据 95 vol.%，软相―“泥”主要是由 10～50 nm厚的有机质组成，占据 5vol.%。珍珠母的断裂功是形成它的碳酸钙晶片断裂功的3000倍;它产生的变形是它本身晶片产生变形的10倍以上，它是一种有序的结构，正是这种有序结构和无序结构的差异导致了珍珠母与其他无序结构的材料在力学性能上的巨大的差异。这种超常的韧性归因于它的这种宏观到微观的多尺度、多层次的精细“砖-泥”结构。这种结构为人工制备高性能复合材料提供了重要启发。我们可以通过仿生结构来增加陶瓷基复合材料的韧性，从而克服陶瓷材料最根本的脆性问题[2]。
冷冻铸造原理是通过改变冷冻铸造技术的参数来控制冰晶的形成和生长，从而获得具有特定孔隙率的多孔材料。首先以陶瓷粉体和水的混合物作为原料，采用冷冻铸造技术将原料进行定向凝固，制备出精细片层多孔陶瓷;然后通过浸渗技术将金属或树脂等软相材料填充到这种层状多孔陶瓷中，以制备出具有优异综合性能的仿贝壳层状结构陶瓷基复合材料。冷冻铸造技术的工艺流程主要包括四个阶段：陶瓷悬浮液的制备、悬浮液的定向凝固、陶瓷冷冻体中的溶剂的升华、陶瓷坯体的烧结。冷冻铸造技术具有以下优点：陶瓷浆料溶剂的升华可以避免生坯在正常干燥时由于干燥收缩和应力而可能产生的裂缝;对环境无害，适用的材料体系广;添加剂量少，陶瓷坯体的脱脂时间短;制备的陶瓷坯体的孔形貌可控，且具有更优良的力学性能。因此，冷冻铸造技术不但能够实现铸件的近净形化，同时对环境友好，制备的材料具有较高的强韧性[3]。
综上所述，采用冷冻铸造技术来制备精细层状结构多孔陶瓷，再进一步结合浸渗技术将制备出仿珍珠贝层状结构复合材料，这为制备高性能复合材料提供了崭新的制备思路。冷冻铸造法制备的仿珍珠贝层状结构陶瓷基复合材料在很大程度上解决了陶瓷材料脆性大的问题。在未来的发展中，该方法将不断发展成为制备先进复合材料的新技术，从而大范围应用在航空航天、核能、汽车、石油化工、微电子等多个领域。
参考文献
[1] Launey M E，Munch E，Alsem D H，et al. A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites. J R Soc Interface，2010，7：741?753.
[2] Wegst U G K，Bai H，Saiz E，et al. Bioinspired structural materials. Nat Mater，2015，14：23?36.
[3] Deville S，Saiz E，Tomsia A P. Ice-templated porous alumina structures. Acta Mater，2007，55：1965?1974.
基金支持：吉林建筑大学2019年大学生创新创业训练计划，项目编号201910191024
关键词：冷冻铸造法;复合材料;仿珍珠贝结构
随着军事、交通、航天航空以及新能源等领域的发展，对材料性能上的要求也越来越高，传统的单一材料（如金属、陶瓷等）已经不能满足应用要求。复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料是由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在;具有结构可设计性，可进行复合结构设计。复合材料具有单一材料不全具有的高强度、高模量、可在高温下使用、耐冲击性好、抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变、活性低、耐辐射、放射余热较低等诸多优异性能，使复合材料逐渐走入大众的视野并被当今社会广泛使用。根据材料的种类，复合材料可以分别为金属-陶瓷复合材料，陶瓷-聚合物复合材料和陶瓷-陶瓷复合材料，其中陶瓷基复合材料在高温环境下具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，目前在航空航天、核能、汽车、石油化工、微电子等多个领域得以广泛应用。但是陶瓷基复合材料中随着陶瓷含量的增加而脆性增加，限制了其广泛应用;另外其高强度、高硬度也给材料加工带来较大困难，尤其是带有复杂表面及内部结构的零部件，加工周期长，成本昂贵，已成为瓶颈问题[1]。
大自然的很多软体动物贝壳、海龟外壳、昆虫角质层等为了应对外来的攻击、避免内部组织的伤害，不仅具有良好的机械性能而且还呈现出较好的耐磨性，它们的矿化程度有所不同，一般作用为防护装甲和支撑功能。近年来，人们发现了来自大自然赠予我们的天然材料—贝壳。到现在为止，我们已经发现了5万多种贝壳，但是这5万种贝壳当中实际上只有7种微结构。在这7种微结构当中，有一种叫作珍珠母，它具有最好的力学性能。珍珠母是由硬相和软相交替层叠排列形成了―“砖?泥”纳米复合结构，其硬相―“砖”主要是由直径约为 5～8 μm、厚度約为 200～900 nm的文石片（CaCO3）组成，占据 95 vol.%，软相―“泥”主要是由 10～50 nm厚的有机质组成，占据 5vol.%。珍珠母的断裂功是形成它的碳酸钙晶片断裂功的3000倍;它产生的变形是它本身晶片产生变形的10倍以上，它是一种有序的结构，正是这种有序结构和无序结构的差异导致了珍珠母与其他无序结构的材料在力学性能上的巨大的差异。这种超常的韧性归因于它的这种宏观到微观的多尺度、多层次的精细“砖-泥”结构。这种结构为人工制备高性能复合材料提供了重要启发。我们可以通过仿生结构来增加陶瓷基复合材料的韧性，从而克服陶瓷材料最根本的脆性问题[2]。
冷冻铸造原理是通过改变冷冻铸造技术的参数来控制冰晶的形成和生长，从而获得具有特定孔隙率的多孔材料。首先以陶瓷粉体和水的混合物作为原料，采用冷冻铸造技术将原料进行定向凝固，制备出精细片层多孔陶瓷;然后通过浸渗技术将金属或树脂等软相材料填充到这种层状多孔陶瓷中，以制备出具有优异综合性能的仿贝壳层状结构陶瓷基复合材料。冷冻铸造技术的工艺流程主要包括四个阶段：陶瓷悬浮液的制备、悬浮液的定向凝固、陶瓷冷冻体中的溶剂的升华、陶瓷坯体的烧结。冷冻铸造技术具有以下优点：陶瓷浆料溶剂的升华可以避免生坯在正常干燥时由于干燥收缩和应力而可能产生的裂缝;对环境无害，适用的材料体系广;添加剂量少，陶瓷坯体的脱脂时间短;制备的陶瓷坯体的孔形貌可控，且具有更优良的力学性能。因此，冷冻铸造技术不但能够实现铸件的近净形化，同时对环境友好，制备的材料具有较高的强韧性[3]。
综上所述，采用冷冻铸造技术来制备精细层状结构多孔陶瓷，再进一步结合浸渗技术将制备出仿珍珠贝层状结构复合材料，这为制备高性能复合材料提供了崭新的制备思路。冷冻铸造法制备的仿珍珠贝层状结构陶瓷基复合材料在很大程度上解决了陶瓷材料脆性大的问题。在未来的发展中，该方法将不断发展成为制备先进复合材料的新技术，从而大范围应用在航空航天、核能、汽车、石油化工、微电子等多个领域。
参考文献
[1] Launey M E，Munch E，Alsem D H，et al. A novel biomimetic approach to the design of high-performance ceramic-metal composites. J R Soc Interface，2010，7：741?753.
[2] Wegst U G K，Bai H，Saiz E，et al. Bioinspired structural materials. Nat Mater，2015，14：23?36.
[3] Deville S，Saiz E，Tomsia A P. Ice-templated porous alumina structures. Acta Mater，2007，55：1965?1974.
基金支持：吉林建筑大学2019年大学生创新创业训练计划，项目编号201910191024