記者近日從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士團隊提出了一種將原子摻雜設計與仿生結構設計相結合的策略，制備出仿珍珠母氧化鋁－氰酸酯復合材料。這種材料具備早期火災主動預警和被動式阻燃的雙重功能。相關成果日前發(fā)表于《國家科學評論》。
　　
　　先進結構材料已在航空航天、建筑和汽車制造等領域得到了廣泛應用。通過模仿珍珠母高度有序的“磚—泥”結構并引入礦物橋增強機制，可以制備出兼具強度與韌性的高性能仿生結構材料。然而，這種材料中有機成分固有的熱穩(wěn)定性限制了其整體高溫性能。為應對這一挑戰(zhàn)，通常需要引入火災報警和阻燃系統(tǒng)，但系統(tǒng)的復雜性增加將會影響其可靠性。因此，開發(fā)兼具主動早期火災預警和被動阻燃的多功能結構材料具有重要的實際意義。
　　
　　研究團隊通過可控的固溶反應合成了鉻原子摻雜的氧化鋁微米片，并將其作為仿珍珠母結構中的“磚”。這些微米級組裝基元表現(xiàn)出獨特的可逆熱致變色特性。同時，該原子級摻雜策略同步實現(xiàn)了固溶強化效應，與仿珍珠母多級結構設計協(xié)同作用，使仿生復合材料具有高彎曲強度和高斷裂韌性的機械性能。
　　
　　通過基于機器學習的K－means模型的圖像識別技術，研究團隊制備出的仿珍珠母氧化鋁－氰酸酯復合材料在250℃時的響應時間為9秒，適用于早期火災預警。此外，高度有序的“磚—泥”結構有效阻礙了氧氣的傳導，實現(xiàn)了50%的極限氧指數(shù)，從而賦予了仿生復合材料優(yōu)異的阻燃性能。該仿生復合材料在保持優(yōu)異機械性能的基礎上，通過集成早期火災主動預警與被動式阻燃雙重功能，構建了主動—被動協(xié)同防護體系，從而使其成為兼具結構承載與智能防護功能的多功能材料，在智能火災預警系統(tǒng)領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。
　　
　　研究人員介紹，這項工作展示了結構設計與功能設計的有效結合，實現(xiàn)了主動早期火災預警和被動阻燃協(xié)同作用機制，為復雜惡劣環(huán)境下新一代智能火災預警系統(tǒng)的高性能結構材料開發(fā)提供了一種嶄新的途徑。