天然材料的機械性能往往隨著密度的降低而急劇惡化。輕質多孔材料面臨著強度低、抗疲勞性能差等問題。通過結構優化設計構建輕質高強的力學超材料，有望改善多孔材料隨密度降低而強度劇烈衰減的現象。通過優化多孔材料的結構設計，將多孔材料的功能作用和機械超材料屬性的力學增強作用相融合，獲得輕質彈性、耐用的陶瓷基復合材料并探究其多功能應用具有重要的研究意義。
 

　　近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所董紹明院士團隊研發了具有負泊松比、高比強度、超彈性和高抗壓強度的陶瓷基復合材料。該材料兼具負泊松比及高比強度(E ~ ρ1.3)特性，并可實現高溫條件下隔熱及電磁屏蔽多功能應用。
 

　　前期，該團隊利用向心冷凍鑄造技術，設計相互垂直的溫度梯度以改變冰晶的生長方向，最終形成內凹向心結構，實現了負泊松比效應和優異彈性。相關成果以Tailoring centripetal metamaterial with superelasticity and negative Poisson’s ratio for organic solvents adsorption為題，發表在《科學進展》(Science Advances，DOI：10.1126/sciadv.abo1014)上。
 

　　在此基礎上，該團隊結合向心冷凍鑄造及化學氣相沉積技術，形成內凹取向結構和“BN/石墨烯/BN”三明治片層，獲得具有層次結構的陶瓷基復合材料。該材料實現了優異的抗壓縮性能，具有負泊松比和高比強雙重超材料屬性。依賴于陶瓷組分的保護作用，該材料具有高效的隔熱性能，高溫下具有良好的電磁干擾屏蔽性能。在700℃時，比屏蔽效率(SSE/t)可達9416 dB·cm2·g-1。
 

　　基于負泊松比效應定制層次結構是實現結構穩定性和多功能應用的關鍵。所設計的分層結構和超材料特性為實現陶瓷基復合材料結構功能一體化設計提供了新方案。相關成果以Multifunctional Hierarchical Metamaterial for Thermal Insulation and Electromagnetic Interference Shielding at Elevated Temperatures為題，發表在《美國化學會-納米》(ACS Nano，DOI：10.1021/acsnano.3c03332)上。
 

向心冷凍制備向心石墨烯氣凝膠示意圖
 

陶瓷基復合材料的制備、結構及超材料屬性
 

陶瓷基復合材料的高溫隔熱及高溫電磁屏蔽性能