从贝壳到水泥大自然启发出更坚固的建筑材料

受牡蛎壳和鲍鱼壳材料的启发，普林斯顿大学的工程师们发明了一种新型水泥复合材料，其抗裂性比标准水泥高出 17 倍，拉伸和变形而不断裂的能力高出 19 倍。这一发现最终可能有助于提高从混凝土到瓷器等各种脆性陶瓷材料的抗裂性。

土木与环境工程系 Reza Moini 实验室的研究生 Shashank Gupta 表示：“如果我们能够设计出抵抗裂纹扩展的混凝土，我们就可以使其更坚韧、更安全、更耐用。”

在《先进功能材料》杂志上发表的一篇文章中，土木与环境工程助理教授莫伊尼领导的研究小组报告称，创建交替的板状水泥浆层和薄聚合物层可以显著提高抗裂性和在不完全断裂的情况下变形的能力(延展性)。

Moini 的实验室经常从生物学中寻找建筑材料方面的灵感。在这种情况下，该团队开发了一种复合材料，灵感来自一种名为珍珠层或珍珠母的天然材料，这种材料存在于某些贝壳中。古普塔说，在微观层面上，珍珠层由六角形的硬矿物文石片组成，这些片由柔软的生物聚合物粘合在一起。

文石片对珍珠层的强度有重大贡献，而生物聚合物则增加了柔韧性和抗裂性。增韧机制涉及文石片在压力下滑动，这与其他机制一起使珍珠层能够耗散能量。这种滑动作用，加上裂纹偏转和生物聚合物变形，使珍珠层能够承受相当大的机械应力，同时保持其结构完整性，使其既坚固又有弹性。

古普塔说：“硬质和软质成分之间的协同作用对于珍珠层的卓越机械性能至关重要。”

普林斯顿团队受珍珠母启发，开发出创新复合材料，利用波特兰水泥浆等传统建筑材料与有限量的聚合物相结合。他们将水泥浆片层与高拉伸性聚合物聚乙烯基硅氧烷交替使用。研究人员通过交替使用水泥浆片和聚合物薄层来制造多层小梁。然后对这些梁进行缺口三点弯曲试验，其中每根梁都在弯曲下进行测试，以评估抗裂性(或断裂韧性​​)。

在实验中，研究人员制作了三种类型的梁。第一种由交替的水泥浆片和薄聚合物层组成。对于第二种，他们使用激光在水泥浆片上雕刻六边形凹槽。然后，这些带凹槽的水泥浆片被堆叠起来，中间夹有薄聚合物层。

第三种与第二种类似，但研究人员完全切断了水泥，形成了由聚合物层连接的六角形分离片。这些水泥浆片位于聚合物层之上，类似于珍珠层中霰石位于生物聚合物层之上的方式。将这三种类型与参考固体(整体式)铸造水泥浆进行了比较。

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