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先进陶瓷期刊新综述：先进仿生各向异性碳化陶瓷复合材料的制备—过去、最新进展和未来展望
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原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220974
一、研究背景
近年来，生物材料的深入研究为结构材料的开发开辟了新的路径。生物材料通常经过长期进化，形成了精巧的层次结构。以骨组织为例，其胶原纤维的定向排列赋予了独特的纹理特征，而复杂的微观结构和材料界面的协同作用，使得骨组织具备了优异的力学性能。
目前，关于各向异性结构材料的研究成果层出不穷（见图1），各向异性陶瓷通常因其特殊的结构设计，能够显著改善材料的蠕变性能、弯曲强度，并提升硬度。文献表明，仿生各向异性设计可以促进裂纹偏转、裂纹桥接和晶粒拉伸，从而显著提升材料的韧性。这些协同效应促使材料在特定方向上展现出更加优异的性能。
碳化物陶瓷由碳和其他元素组成的化合物构成。相较于传统陶瓷，展现出诸多优异特性，如高模量、高温抗性及极强的耐磨性，使其成为理想的结构材料，广泛应用于航空航天、制造和化工等领域。碳化硅（SiC）等结构陶瓷具备各向异性的晶体结构特征。通过仿生纹理设计，能够进一步优化其在特定方向上的性能。一般来说，通过施加外部物理条件（如单向力场、电场或磁场）或利用内部化学驱动力和界面能量，可实现不同类型的仿生纹理碳化物陶瓷或碳化物基复合材料的制备。这些材料在特定方向上表现出增强的物理化学性能，尤其适用于恶劣环境中的应用。
图1.不同年份中关于各向异性陶瓷的发表数量。
二、研究亮点
近期，中国科学院上海硅酸盐研究所黄政仁、殷杰研究员团队，与英国诺丁汉大学工程学院张步豪博士合作，在《Journal of Advanced Ceramics》发表题为Fabrication of advanced bioinspired anisotropic carbide ceramic composites: Past, recent progress, and future perspectives的综述论文。该综述首次对仿生纹理碳化物陶瓷复合材料进行了全面评述，重点分析了仿生材料的结构特征及各向异性碳化物陶瓷复合材料的制备工艺（见图2）。文章详细介绍了几种典型仿生材料，揭示了其优异性能背后的结构设计。紧扣“仿生”和“碳化物陶瓷”这两个关键概念，文章着重总结了结构陶瓷领域内研究人员在过去十年中取得的重大进展。此外，文章还综述了常见的制备仿生纹理碳化物陶瓷及复合材料的实验方法，如强外场诱导（单轴压力下的热加工、磁定向铸造技术等）、模板法（包括生物模板法、冰模板法等）以及3D打印技术（如直接油墨写入、光固化技术等）。文章对不同制备方法的优缺点进行了详细比较，指出了仿生纹理碳化物陶瓷基复合材料制备过程中面临的挑战，并探讨了它们在未来的应用前景。
本篇综述旨在帮助仿生结构材料研究领域的学者建立一个系统的框架，促进学者对纹理仿生材料的结构特征、研究现状、未来发展的快速理解。
图2.显示了几种常见仿生材料的结构特征以及仿生各向异性碳化物材料的制备过程。
三、研究结果及结论
受生物材料独特微结构启发，通过仿生纹理设计能够制备出性能远超传统材料的各向异性碳化物基复合材料。本文讨论了几种制备方法，包括单轴压力下的热加工、磁定向铸造技术、生物模板法、冰模板法，以及3D打印技术（DIW、FDM、SLA等）。并且，对这些不同方法在制备各向异性碳化物陶瓷中的优缺点进行了全面总结，具体内容如表1所示。
表1 各向异性方法制备碳化物陶瓷的优缺点
Techniques | Advantages | Disadvantages | Typical materials | Representative reference | |
Strong external force | Hot working under uniaxial pressure | Texture design | High cost High energy consumption | Dense carbide ceramics | [4,71] |
Magnetically aligned casting technology | All grains can be aligned | [24,66,69] | |||
Templating technology | Biotemplating | Excellent cell structures | Limited by the types of wood Complex and time-consuming precursor synthesis | Porous carbide ceramics Carbide composites | [5,26,76,79] |
Ice templating | Fabricating porous materials Mineral bridging | Poor long-range continuity | [29,80,85,86] | ||
3D printing | Direct ink writing | Control of component distribution in different regions Fine structure design | Limitation of material selection | Carbide composites | [19,97,98] |
Fused deposition modeling | [104,105,106] | ||||
Selective laser melting | [117] | ||||
由于实验参数和条件的差异，各向异性碳化物陶瓷基材料的性能在很大程度上依赖于具体的制备方法。本文所讨论的材料展现出卓越的性能，为其在航空航天、能源、电子以及机械制造等行业中的应用提供了广泛的前景（见图4）。在众多制备方法中，3D打印技术因其对结构设计和成分控制的精确性，被认为是制备仿生材料最具前景的途径之一。虽然目前已有大量关于仿生聚合物材料3D打印的研究，但各向异性碳化物基复合材料的3D打印研究尚处于起步阶段。这些材料具有极大的应用潜力，值得进一步深入研究。
图4 各向异性碳化物-陶瓷材料的潜在应用.
此外，随着机器学习的不断发展，仿生各向异性材料有望成为开发基于碳化物各向异性复合材料的主流选择。通过调整四面体、八面体等结构单元的大小、方向及组合，能够精准控制材料的机械性能。随着对生物结构理解的深入，借助结构模拟和3D切片技术直接打印仿生结构，将成为仿生各向异性碳化物复合材料发展的重要趋势。同时，复杂陶瓷结构的4D打印技术不断进步，未来利用4D打印技术制备高性能仿生材料具有巨大的潜力。仿生各向异性碳化物陶瓷作为前沿材料，持续为科学研究和工程应用带来新启示，其影响不仅体现在材料性能的提升上，还推动了制造工艺、结构设计与仿生仿真技术的创新发展。
四、作者及研究团队简介
黄政仁：研究员，国家级领军人才，获国务院政府特殊津贴。现任上海硅酸盐所先进碳化物陶瓷材料课题组组长、上海高等研究院院长。长期系统开展先进结构陶瓷组成、结构、应力设计和制备科学等研究，获国家技术发明二等奖等奖励，发表论文近300篇。
殷 杰：研究员，现任结构陶瓷与复合材料工程研究中心副主任。从事先进碳化物陶瓷增材精密制造与结构功能一体化调控研究，在国内外重要学术期刊发表SCI论文70余篇，授权专利20多项，制定标准3项。
张步豪：博士后，现任职于英国诺丁汉大学工程学院，2020年于上海硅酸盐研究所获得工学博士学位，研究方向为先进结构陶瓷及其涂层的制备与表征。已在国内外重要学术期刊发表SCI论文30余篇。
田会生：上海硅酸盐研究所在读硕士研究生，主要研究方向为碳化硅材料的选区激光打印。
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
https://blog.sciencenet.cn/blog-3534092-1455334.html
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