受拉菲亚胡克里种子启发的弱各向异性纳米复合材料

《Nature Communications》：Raphia hookeri seed-inspired weakly anisotropic nanocomposites

　　

摘要

受珍珠母、骨骼和牙齿等结构启发的复合材料，由于其结构单元的长宽比很高，往往表现出各向异性的机械性能，因此在特定加载条件下容易突然失效。而制造具有弱各向异性机械性能的纳米复合材料仍然是一个巨大挑战。在此，我们发现了Raphia hookeri种子的独特结构，该结构在多个方向上都具有较低的裂纹扩展阻力。其出色的机械性能源于紧密相连、直径相等的细胞结构以及相互嵌合的凹坑。受Raphia hookeri种子的启发，我们通过将带有凹坑的层状聚甲基丙烯酸甲酯-石墨烯微球与聚甲基丙烯酸甲酯结合，模拟其复杂的层次结构，从而制备出人工Raphia hookeri种子纳米复合材料。这种人工材料在所有裂纹扩展方向上都能展现出良好的增韧效果，其断裂韧性高达4.84?MPa m^1/2，比强度为4.28?MPa m^1/2/(Mg m^?3)，这些数值均高于天然Raphia hookeri种子以及此前制备的弱各向异性聚合物纳米复合材料。合理的凹坑分布以及微球间增强的界面作用有效抑制了裂纹的扩展，从而使这种人工材料在各个方向上都具备优异的韧性。这种基于凹坑的颗粒微球结构为制造高性能弱各向异性纳米复合材料提供了新的途径。