仿生結構陶瓷,是模仿天然生物材料的結構制備得到的高性能陶瓷,其目的是增強陶瓷韌性。仿生結構陶瓷可以拓寬陶瓷的應用范圍,廣泛應用在軍工、航空航天、機械設備、石油化工等領域。
根據新思界產業研究中心發布的
《2025-2030年仿生結構陶瓷行業風險投資態勢及投融資策略指引報告》顯示,陶瓷具有硬度大、強度高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化等優點,但具有脆性大的缺點,限制了其應用場景拓寬。引入仿生結構設計理念來增強陶瓷材料的韌性、可靠性,成為陶瓷材料性能提升的重要技術路線之一。仿生結構陶瓷可以模仿竹、木、貝殼、骨骼等天然生物材料的結構特征來改善其脆性,可采用的陶瓷材料包括碳化硅、氮化硅、氮化硼等。
纖維獨石仿生結構陶瓷模仿竹、木纖維結構特征,纖維狀基體定向分布,基體之間由界面分隔,制成塊體結構陶瓷。纖維獨石仿生結構陶瓷制備通常先制備纖維狀基體前驅體,在其表面涂覆隔離層,經壓制、燒結而成,界面分隔層的厚度、各單元大小、結合牢固程度等均會對材料性能造成影響。
纖維獨石仿生結構陶瓷已開發的產品有,以碳化硅為基體材料、以石墨為界面材料的SiC/C纖維獨石仿生陶瓷材料,以氮化硅為基體材料、以氮化硼為界面材料的Si3N4/BN纖維獨石仿生陶瓷材料等,產品的韌性、抗斷裂性得到明顯提升。
層狀結構仿生陶瓷模仿貝殼層狀結構,將碳化硅、氮化硅等陶瓷基體制成片狀,涂覆石墨、氮化硼等作為界面層,依次疊層到一定厚度,經熱壓燒結制備得到SiC/C層狀結構仿生陶瓷或者Si3N4/BN層狀結構仿生陶瓷,可以明顯提升材料的強度、斷裂韌性、抗沖擊性等性能。
模仿貝殼制備得到的層狀結構仿生陶瓷研究成果較多,產品斷裂韌性得到明顯提升,但與天然貝殼相比依然存在不足,因此其技術研究還在不斷深入。
新思界
行業分析人士表示,2022年3月,中國科學技術大學團隊從生物礦物的殘余應力增強機制中獲得啟發,提出了一種新的仿生增韌路徑,顯著提升了仿珍珠母陶瓷塊材的韌性放大效率,相關研究成果發表于《Advanced Materials》;2025年3月,華中科技大學與北京理工大學合作,將墨水直寫3D打印技術與冷凍鑄造技術相結合,實現了多層級多孔結構陶瓷,表現出優越的力學性能,相關研究成果發表于《極端制造》。