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Nanograded artificial nacre with efficient energy dissipation

材料科学 消散 陶瓷 纳米压痕 韧性 石墨烯 纳米尺度 复合材料 纳米技术 表面能 制作 医学 物理 替代医学 病理 热力学
作者
Yufeng Meng,Chengxin Yu,Lichuan Zhou,Lunlin Shang,Bo Yang,Qingyue Wang,Xiang‐Sen Meng,Li‐Bo Mao,Shu‐Hong Yu
出处
期刊:The Innovation [Elsevier]
卷期号:4 (6): 100505-100505 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.xinn.2023.100505
摘要

The renowned mechanical performance of biological ceramics can be attributed to their hierarchical structures, wherein structural features at the nanoscale play a crucial role. However, nanoscale features, such as nanogradients, have rarely been incorporated in biomimetic ceramics because of the challenges in simultaneously controlling the material structure at multiple length scales. Here, we report the fabrication of artificial nacre with graphene oxide nanogradients in its aragonite platelets through a matrix-directed mineralization method. The gradients are formed via the spontaneous accumulation of graphene oxide nanosheets on the surface of the platelets during the mineralization process, which then induces a lateral residual stress field in the platelets. Nanoindentation tests and mercury intrusion porosimetry demonstrate that the material's energy dissipation is enhanced both intrinsically and extrinsically through the compressive stress near the platelet surface. The energy dissipation density reaches 0.159 ± 0.007 nJ/μm3, and the toughness amplification is superior to that of the most advanced ceramics. Numerical simulations also agree with the finding that the stress field notably contributes to the overall energy dissipation. This work demonstrates that the energy dissipation of biomimetic ceramics can be further increased by integrating design principles spanning multiple scales. This strategy can be readily extended to the combinations of other structural models for the design and fabrication of structural ceramics with customized and optimized performance.
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