記者近日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團隊提出了一種將原子摻雜設(shè)計與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的策略，制備出仿珍珠母氧化鋁－氰酸酯復(fù)合材料。這種材料具備早期火災(zāi)主動預(yù)警和被動式阻燃的雙重功能。相關(guān)成果日前發(fā)表于《國家科學(xué)評論》。
　　
　　先進結(jié)構(gòu)材料已在航空航天、建筑和汽車制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過模仿珍珠母高度有序的“磚—泥”結(jié)構(gòu)并引入礦物橋增強機制，可以制備出兼具強度與韌性的高性能仿生結(jié)構(gòu)材料。然而，這種材料中有機成分固有的熱穩(wěn)定性限制了其整體高溫性能。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，通常需要引入火災(zāi)報警和阻燃系統(tǒng)，但系統(tǒng)的復(fù)雜性增加將會影響其可靠性。因此，開發(fā)兼具主動早期火災(zāi)預(yù)警和被動阻燃的多功能結(jié)構(gòu)材料具有重要的實際意義。
　　
　　研究團隊通過可控的固溶反應(yīng)合成了鉻原子摻雜的氧化鋁微米片，并將其作為仿珍珠母結(jié)構(gòu)中的“磚”。這些微米級組裝基元表現(xiàn)出獨特的可逆熱致變色特性。同時，該原子級摻雜策略同步實現(xiàn)了固溶強化效應(yīng)，與仿珍珠母多級結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)同作用，使仿生復(fù)合材料具有高彎曲強度和高斷裂韌性的機械性能。
　　
　　通過基于機器學(xué)習(xí)的K－means模型的圖像識別技術(shù)，研究團隊制備出的仿珍珠母氧化鋁－氰酸酯復(fù)合材料在250℃時的響應(yīng)時間為9秒，適用于早期火災(zāi)預(yù)警。此外，高度有序的“磚—泥”結(jié)構(gòu)有效阻礙了氧氣的傳導(dǎo)，實現(xiàn)了50%的極限氧指數(shù)，從而賦予了仿生復(fù)合材料優(yōu)異的阻燃性能。該仿生復(fù)合材料在保持優(yōu)異機械性能的基礎(chǔ)上，通過集成早期火災(zāi)主動預(yù)警與被動式阻燃雙重功能，構(gòu)建了主動—被動協(xié)同防護體系，從而使其成為兼具結(jié)構(gòu)承載與智能防護功能的多功能材料，在智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
　　
　　研究人員介紹，這項工作展示了結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能設(shè)計的有效結(jié)合，實現(xiàn)了主動早期火災(zāi)預(yù)警和被動阻燃協(xié)同作用機制，為復(fù)雜惡劣環(huán)境下新一代智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的高性能結(jié)構(gòu)材料開發(fā)提供了一種嶄新的途徑。