Multi-layered cement-hydrogel composite with high toughness, low thermal conductivity, and self-healing capability

材料科学 复合材料 水泥 复合数 韧性 脆性 微观结构 热导率 聚乙烯醇 自愈 替代医学 医学 病理
作者
Yuan Chen,Yangzezhi Zheng,Yang Zhou,Wei Zhang,Weihuan Li,Wei She,Jiaping Liu,Changwen Miao
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:69
标识
DOI:10.1038/s41467-023-39235-5
摘要

The inherent quasi-brittleness of cement-based materials, due to the disorder of their hydration products and pore structures, present significant challenges for directional matrix toughening. In this work, a rigid layered skeleton of cement slurry was prepared using a simplified ice-template method, and subsequently flexible polyvinyl alcohol hydrogel was introduced into the unidirectional pores between neighboring cement platelets, resulting in the formation of a multi-layered cement-based composite. A toughness improvement of over 175 times is achieved by the implantation of such hard-soft alternatively layered microstructure. The toughening mechanism is the stretching of hydrogels at the nano-scale and deflections of micro-cracks at the interfaces, which avoid stress concentration and dissipate huge energy. Furthermore, this cement-hydrogel composite also exhibits a low thermal conductivity (around 1/10 of normal cement) and density, high specific strength and self-healing properties, which can be used in thermal insulation, seismic high-rise buildings and long-span bridges.
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