中国科大俞书宏院士团队 NSR：研制具有主动早期火灾预警功能的热致变色仿珍珠母结构材料

先进结构材料已在航空航天、建筑和汽车制造等领域得到了广泛应用，其性能需同时满足轻质、高强度以及优异的韧性。通过模仿珍珠母高度有序的“砖-泥”结构并引入矿物桥增强机制，可制备出兼具强度与韧性的高性能仿生结构材料。随着多功能应用需求的日益增长，这些材料还需具备其他功能以适应复杂的环境变化。例如，在某些易燃场景中，失控火灾产生的高温可能会显著削弱结构材料的机械性能，从而增加设备故障或结构坍塌的风险。然而，仿生复合材料中有机成分固有的热稳定性限制了其整体高温性能。为应对这一挑战，通常需要引入火灾报警和阻燃系统，但系统的复杂性增加将会影响其可靠性。因此，开发兼具主动早期火灾预警和被动阻燃的多功能结构材料具有重要的实际意义。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队提出了一种将原子掺杂设计与仿生结构设计相结合的策略，制备出具有机械鲁棒性、热致变色特性和阻燃功能的仿珍珠母氧化铝-氰酸酯复合材料。相关成果以“A nacre-inspired structural material with thermochromic properties and mechanical robustness by atomic-level design”为题发表于《国家科学评论》（National Science Review）。中国科学技术大学博士研究生庞俊、博士后王泽宇和博士生宋涛为论文共同第一作者，俞书宏为通讯作者。

图1.原子级掺杂策略与仿生复合材料制备示意图。

研究团队通过可控的固溶反应合成了铬掺杂的氧化铝微米片，并将其作为仿珍珠母结构中的“砖”（图1和图2a-c）。这些微米级组装基元表现出独特的可逆热致变色特性。同时，该原子级掺杂策略同步实现了固溶强化效应，与仿珍珠母多级结构设计协同作用（图1），使仿生复合材料具有高弯曲强度（~290.1MPs）和高断裂韧性（~11.1MPa m^1/2）的机械性能（图2d）。通过基于机器学习的K-means模型的图像识别技术，仿生复合材料在250℃时的响应时间为9秒，适用于早期火灾预警（图2e）。此外，高度有序的“砖-泥”结构有效阻碍了氧气的传导，实现了50%的极限氧指数，从而赋予了仿生复合材料优异的阻燃性能（图2e）。该仿生复合材料在保持优异机械性能的基础上，通过集成早期火灾主动预警与被动式阻燃双重功能，构建了主动-被动协同防护体系，从而使其成为兼具结构承载与智能防护功能的多功能材料，在智能火灾预警系统领域展现出广阔应用前景。

图2.（a）氧化铝微米片截面透射电镜元素分布图；（b）聚焦离子束技术沿着（006）晶面对铬掺杂的氧化铝微米片进行精确加工；（c）铬掺杂的氧化铝微米片原子级透射电镜元素分布图；（d）仿生复合材料机械性能的Ashby图；（e）仿生复合材料的主动早期火灾预警与被动防火阻燃功能示意图。

这项工作展示了结构设计与功能设计的有效结合，实现了主动早期火灾预警和被动阻燃协同作用机制，为复杂恶劣环境下新一代智能火灾预警系统的高性能结构材料开发提供了一种崭新的途径。

该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金重大项目、安徽省重大基础研究项目以及新基石研究员项目等资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf098

来源：中国科学技术大学

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