▲第一作者：AliAmini

通讯作者：AllenJ.Ehrlicher

通讯单位：加拿大麦吉尔大学

DOI：10./science.abf

01研究背景工程玻璃是一种脆性材料，断裂韧性低(主要是裂纹或缺陷)，强度低(材料抵抗破坏能力的能力)，这大大限制了它们的应用范围。热或化学钢化是提高玻璃强度的常用策略。然而，这并不能显著提高材料的断裂韧性，还可能导致灾难性的“爆炸性”失效。层压工艺形成了一种聚合玻璃夹心状复合结构，其最大的优点是安全：在破裂时，聚合层可以防止破碎的小玻璃碎片在灾难性的故障中破碎。然而，在夹层玻璃中只观察到轻微的机械改进。玻璃因其特殊的透明度和硬度而有许多应用。然而，较差的断裂、抗冲击性和机械可靠性限制了它们的应用范围。最近的仿生玻璃表现出了优异的机械性能，但它们仍然存在光学质量下降的问题。02研究问题本文介绍一种珍珠质玻璃复合材料，它可以提供较高的强度、韧性和透明度的组合。微米级大小的玻璃片与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)通过离心混合和结构化，形成致密的PMMA-玻璃层，然后通过将PMMA的折射率调节为玻璃的折射率，并利用化学官能化来产生连续的界面，最终形成了透明复合材料。这种制造方法是快速和可扩展的，这种复合材料可能会在各种应用中被证明是玻璃的一种优秀替代品。03图文解析▲图1.珍珠玻璃复合材料的离心制备方法。要点：●为了实现玻璃和PMMA之间牢固且无缺陷的界面，本文用硅烷[(3-三甲氧基硅基)甲基丙烯酸丙酯，γ-MPS]对玻璃片材表面进行了功能化处理(图1)。将制备的PMMA和玻璃片混合后进行离心，形成排列整齐的砖瓦结构和高体积分数的玻璃夹杂物。然后，PMMA聚合是通过在50°C(12小时)、70°C(4小时)和°C(2小时)下烘焙来实现的。▲图2.加入掺杂剂可以得到透明的复合材料，离心使结构有序和紧凑。要点：●本文测量了PMMA-dopant样品的折射率作为掺杂剂重量百分比的函数，然后估计导致最高透明度水平的成分。尽管没有和折射率相匹配的掺杂剂的复合材料看起来非常模糊，而且样品由于光散射而不透明，但本文的折射率匹配的玻璃复合材料却能够显示出很高的透明度(图2A)。●本文的玻璃复合材料的光学透过率与钠钙整体玻璃和掺杂12%菲的PMMA相比都有优势，特别是在人类视觉的敏感光谱(-nm)(图2B)，它的平均透过率只比钠钙玻璃低16%。●片状聚合物层厚度由简单混合样品的~35mm减少到g离心样品的~17mm。离心使片剂的分布均匀，防止PMMA无片区的形成(图2C和E)。离心还可以使玻璃片对齐(图2D和F)。通过对比离心前后复合材料的极性取向分布图，本文研究了离心过程在复合材料结构中诱导有序化的作用。g以下的离心可以增加片剂的有序性和对准；然而，进一步提高离心速度似乎没有显著改善片剂的对准。由于进一步提高离心速度在体积分数(或力学测试数据，如图3)中没有观察到明显的变化，因此，本文确定g为最佳离心力。▲图3.表面功能化和离心工艺提高了玻璃复合材料的机械性能。要点：●本文通过三点弯曲试验评价了复合材料的力学性能。玻璃复合材料在弯曲响应中表现出两种截然不同的线性和非线性区域(图3A)。本文将这种非线性现象归因于PMMA相对较大的剪切变形，这使得玻璃片的相对位移遵循剪切滞后模型。●PMMA的剪切变形比拉伸变形大得多。所有的样品都显示出非弹性变形的证据，破坏时的应变在2.5-3.5%的范围内。然而，弯曲模量和强度在我们探索的不同设计中差别很大。用γ-MPS功能化的玻璃复合材料表面硬度是未经任何表面处理的玻璃复合材料的1.9倍(图3A)。通过用g-MPS对玻璃片表面进行功能化处理，复合材料的弯曲强度提高了近两倍。然而，这种强度的增加只产生了比纯PMMA略强的玻璃复合材料。●另一方面，通过将离心过程作为制造过程的一部分，弯曲强度提高到~MPa；这将玻璃片材排列成多层平行平面，也产生了更致密的整体结构。离心的有益强化效应似乎在g达到平台期，在较高的力下弯曲强度没有实质性的增加(图3B)。随着离心速度的提高，弯曲模量从未离心的4.7GPa增加到g离心后的7.2GPa。▲图4.模仿珍珠层的透明珍珠质玻璃的微观结构和增韧机制的相关图例。要点：●图3中的结果表明，离心可以改善力学性能和断裂性能。这一改进是通过诱导结构中的有序性并创建类似于珍珠层结构的玻璃片和PMMA聚合物的交错结构来实现的(图4A和B)。这种有序促进了一些重要的外在增韧机制，使复合材料具有优异的断裂性能。●在没有矿物桥和片剂互锁的情况下，本文材料中的一个关键增韧机制是通过片剂之间形成聚合物韧带的聚合物桥联，在片剂分层时被激活(图4C)。▲图5.多种合成材料和天然材料的断裂韧性与强度的Ashby曲线图。04结语长期以来，硬相对准对齐一直被认为是一种关键的改性策略，通常从序列化的自下而上的方法进行。离心是一种快速和可扩展的方法，可用于制造任何几何形状和尺寸的复合材料，并可以通过增加硬相和软相之间的密度差来进一步增强。与逐层序列化的方法相比，这是一个很大的优势，因为后者牺牲了生产来换取精确度。此外，这使复合材料制造走出了专门的纳米制造设施，进入了工业上可接近的工艺领域。力学性能对离心力的依赖性说明了在整个复合材料结构中对齐硬相片和最小化顺应性PMMA相的重要性，类似于天然珍珠质复合材料中蛋白质的最小化(~5%)。这种通过离心施加在结构上的顺序还可以有效地激活增韧机制，如裂纹偏转、片层剥离和片剂拔出，这些共同导致本文的材料具有高水平的断裂韧性。原文链接：

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkgx/152.html