盡管陶瓷材料具有高強度和高模量，但由於(yu) 其固有的脆性和低韌性，在許多結構應用中受到限製。然而，使用了由硬陶瓷和軟聚合物組成的自下而上的複雜分級組件，其中陶瓷以內(nei) 部化的方式與(yu) 極少量的聚合物包裝在一起，這個(ge) 結構在本質上克服了這一限製。

陶瓷材料因其出色的耐環境性、低密度和高強度特性而廣泛用於(yu) 結構應用。此外，陶瓷卓越的生物相容性吸引了它們(men) 在許多生物醫學應用中的應用，例如骨替代品、組織工程支架、牙科、手術工具和儀(yi) 器。然而，由於(yu) 抗斷裂能力有限，它們(men) 顯示出接近零的塑性變形和低韌性。即使是在加工過程中引入的最輕微的缺陷，也會(hui) 大大損害陶瓷的強度和韌性。因此，即使在環境條件下，這種固有的脆性或較差的增韌機製也限製了陶瓷材料在許多結構部件中的應用。

當前，仿生概念已用於(yu) 設計其他工程材料，如夾層玻璃和雙網絡水凝膠。在這些結構中，剛性和/或脆性相（在負載下抗斷裂性低）的主要缺點已通過形成互連的聚合物陶瓷結構而得到克服。因此，實現了高強度和韌性的組合優(you) 勢，使這些結構可用於(yu) 多種應用，例如汽車擋風玻璃、防颶風建築窗戶、防爆窗戶和合成結締組織。盡管如此，這個(ge) 特殊的概念可以進一步擴展，以在結構布置和/或配置方麵開發創新的材料設計。具體(ti) 而言，尚未實現通過簡單且經濟高效地將聚合物薄膜包裹在陶瓷基結構中，同時確保不滲透或複合形成的損傷(shang) 容限。盡管在傳(chuan) 統陶瓷中使用熔融玻璃釉的目的是為(wei) 了填充表麵裂縫並獲得光滑的表麵，但這種塗層即使沒有惡化，也不會(hui) 改善結構的固有脆性。

在該研究中，來自美國萊斯大學和匈牙利塞格德大學的研究人員報告了通過立體(ti) 光刻 (stereolithography, SLA) 3D打印和保形聚合物微塗層，完全從(cong) 陶瓷結構中外部化軟相的一種更簡單的耐損傷(shang) 陶瓷結構的製造。使用商業(ye) 二氧化矽填充的陶瓷聚合物開發了一種稱為(wei) schwarzite 的著名建築結構，該聚合物完全熱解以創建完全陶瓷結構，然後在陶瓷結構上塗上一層薄薄的柔性環氧聚合物.通過單軸壓縮試驗分析了塗層結構陶瓷的機械性能，並與(yu) 未塗層陶瓷的性能進行了比較。

Schwarzite，以德國科學家 Hermann Schwarz 的名字命名，他在 1880 年代假設“負彎曲”結構可用於(yu) 需要非常堅固但重量輕的材料的任何地方，從(cong) 電池到骨骼再到建築物。

圖1. 聚合物塗層陶瓷的製備和形態
▲圖解：(A) 用 SLA 3D 打印機打印陶瓷 schwarzite 樣品。(B) 樣品 I（未塗層陶瓷）是使用陶瓷製造的，無需任何進一步處理。樣品 II（塗層陶瓷）浸入環氧樹脂中並置於(yu) 紫外光下以固化環氧樹脂並在整個(ge) 表麵形成一層薄薄的保形塗層。(C) 兩(liang) 個(ge) 樣品的準靜態壓縮研究示意圖。樣品 I 發生了災難性的破壞，而樣品 II 則顯示出逐層變形並逐漸失效。(D) 未塗層陶瓷表麵形貌的 SEM 圖像。(E) 塗層陶瓷表麵形貌的 SEM 圖像，顯示塗層的均勻性。（F 和 G）橫截麵的 SEM 圖像顯示了聚合物-陶瓷界麵和塗層厚度（~70 至 100 μm）在低和高放大倍數下。

圖2. 聚合物塗層對建築陶瓷的抗壓強度和變形行為(wei) 的作用

▲圖解：(A 和 B) 未塗層和塗層陶瓷 schwarzites 的典型壓縮應力應變行為(wei) 。陶瓷在環氧樹脂中的浸塗有效地增強了建築結構的強度和韌性。環氧樹脂塗層導致結構的壓縮韌性顯著增加。(C) 壓縮測試的一係列快照顯示未塗層陶瓷在低應變值下的災難性故障。比例尺，1 厘米。(D) 塗層陶瓷通過逐層變形而逐漸失效解釋了塗層的作用，這在陶瓷等脆性材料中是不常見的。比例尺，1 厘米 (E) SEM 顯示壓縮測試後塗層陶瓷中的裂紋偏轉。比例尺，500 微米。(F 和 G) 裂紋開始並通過建築結構的內(nei) 部和外部支柱傳(chuan) 播，並且在陶瓷-聚合物界麵中觀察到裂紋停止，如紅色箭頭所示。比例尺，200 微米。照片來源：萊斯大學的賽義(yi) 德·穆罕默德·薩賈迪（Seyed Mohammad Sajadi）

由萊斯材料科學家 Pulickel Ajayan 和 Muhammad Rahman 以及研究生和主要作者 Seyed Mohammad Sajadi 領導的研究人員通過實驗和模擬證明，厚度不超過 100 微米的聚合物塗層將使脆弱的施瓦茨石對災難性斷裂的抵抗力提高 4.5 倍。結構在壓力下可能仍然會(hui) 破裂，但它們(men) 不會(hui) 分崩離析。

研究人員已經清楚地看到未塗層的結構非常脆弱，但是當他們(men) 將塗層結構置於(yu) 壓縮之下時，它們(men) 會(hui) 承受載荷直到完全斷裂。有趣的是，即使如此，它們(men) 也不會(hui) 完全碎裂。它們(men) 像夾層玻璃一樣保持封閉狀態。
該團隊成員來自匈牙利、加拿大和印度，他們(men) 創建了這些結構的計算機模型，並用注入聚合物的陶瓷“墨水”打印出來。陶瓷在打印機中通過紫外線燈快速固化，然後浸入聚合物中並再次固化。與(yu) 未塗層的控製單元一起，複雜的塊然後受到高壓。與(yu) 未塗覆陶瓷相比，塗覆陶瓷幾何形狀的強度和韌性有多倍的提高。對照 schwarzites 像預期的那樣破碎，但聚合物塗層防止裂縫在其他裂縫中傳(chuan) 播，使結構保持其形狀。

該聚合物-強化陶瓷的生物相容性也可能最終使它們(men) 適合假肢。研究人員非常確定，如果他們(men) 能夠在拓撲上優(you) 化這些結構，它們(men) 也顯示出作為(wei) 生物折疊的良好前景。