法國工程師開發了一種陶瓷複合材料，其強度約為標準陶瓷的十倍，並且是通過冷凍技術製作而成。這種材料通過一種稱為冰模板的工藝，模仿了珍珠母的層狀微結構，從而實現了遠超均質陶瓷的抗裂性能。
法國工程師成功開發新型陶瓷複合材料
冰模板技術，也稱為冷凍鑄造，通過將陶瓷顆粒懸浮在水中，然後有方向性地冷凍這種混合物來工作。隨著冰晶的生長，陶瓷顆粒被推開，形成平行的層狀壁。當冰在真空下升華時，稱為冷凍乾燥，剩下的是一種多孔的陶瓷支架，具有高度有序的磚和砂漿式微結構。研究人員然後在這種支架中注入二次材料，通常是聚合物或金屬，以填補陶瓷層之間的空隙。
最終產生的密實層狀複合材料在抗裂擴展方面的表現類似於珍珠母：當裂縫遇到層邊界時，它會側向偏轉，而不是直接穿過材料。這種裂縫偏轉機制驅動了材料的韌性增強。傳統的單體陶瓷因為裂縫可以以極少的能量耗散而災難性地擴展，因此顯得脆弱。而珍珠母則能夠實現比其構成的方解石礦物高幾個數量級的韌性，這一性能差距使得材料科學家花費數十年時間嘗試合成複製。
新材料在多種應用中展現潛力
法國團隊的這一方法在工業相關的規模上複製了這種分層幾何結構，所使用的設備不過是控制冷凍的階段。這種韌性提升十倍的材料類別，使其在結構和防護應用中的性能範圍具有意義，以往陶瓷由於其脆性而受到限制。根據研究團隊的説法，該陶瓷在至少 600°C（1112°F）的温度下能夠保持其性能。
航空航天熱防護系統、裝甲插入物、切割工具和生物醫學植入物都需要可以吸收機械能量而不會發生災難性斷裂的材料。這種製造方法的相對簡單性同樣引人注目。與化學氣相沉積或火花等離子燒結不同，這兩者都需要專門的高資本設備，冷凍鑄造可以使用適度的基礎設施來實施。這降低了將過程擴展的障礙，儘管將實驗室樣品轉化為大型幾何複雜的組件仍然是一個未解決的工程問題。
材料在現實條件下的性能還引入了許多變數，這些變數並未完全通過裂縫韌性來捕捉。熱循環、重複載荷下的疲勞及在高温下的抗氧化性能都是需要系統性表徵的特性，才能使該材料符合苛刻應用的要求。類似的性能與可加工性之間的權衡出現在其他仿生結構材料中，包括接近 Kevlar 水平強度的熱壓絲綢複合材料，同時仍保持生物相容性。
珍珠母的類比不僅僅是形象化。珍珠母的抗裂韌性值約為每平方米根號米 1.5 至 3 兆帕，而其方解石礦物的內在韌性則遠低於此。這種增強完全來自其架構，即 95% 礦物和 5% 有機生物聚合物在納米級別的排列。冷凍鑄造將這種架構邏輯轉換為一種不需要生物合成的工藝。根據 ENS Lyon 發佈的翻譯，法國研究團隊的方法展示了極端材料性能不一定需要特殊的化學成分或稀有前驅體。
如果該過程可以在一致的微結構控制下進行擴展，則製造優勢可能使得堅韌的陶瓷複合材料能夠進入目前被先進材料解決方案的高價位所排除的行業。