ARTICLE · 990028
无需冰模板、3D 打印与热压|东南大学张亚梅教授团队有一突破:简单辊‑折叠构筑兼具超高比断裂韧性与隔热能力的水泥基仿生架构材料
水泥基材料作为全球基础设施建设的主力军，长期面临着本征韧性低、能量耗散能力差以及隔热性能不足等瓶颈。在极端荷载下，传统混凝土极易发生脆性破坏，威胁基础设施的安全与韧性；同时，城市建筑对空调系统的依赖也加剧了能源消耗与碳排放。尽管现代混凝土可通过钢筋、纤维或聚合物增韧，但提升幅度有限；而轻质泡沫混凝土虽能改善隔热，却往往牺牲了力学性能。近年来，仿生与结构设计策略为水泥基材料带来了新契机，但现有高性能结构水泥基材料多依赖3D打印、冰模板法、热压等复杂且高耗能的制备工艺，严重限制了其规模化应用。
为此，作者团队受千层酥皮制备工艺的启发，提出了一种在环境条件下通过简单“辊压-折叠”工艺制备的层状水泥基结构材料（PPAC）。该材料具有高度有序的层状结构，由交替排列的水泥薄片与离散的板状空腔组成。这一创新设计不仅赋予了材料优异的延性断裂行为、极高的断裂韧性和出色的隔热性能，更彻底摆脱了传统工艺对高温、高压或冷冻的依赖，展现出卓越的制造效率、可扩展性与几何适应性，为下一代基础设施材料的开发开辟了新路径。
水泥基材料是全球基础设施建设长期依赖的核心结构材料，但水泥基体本征韧性低、能量耗散能力不足，地震、冲击、偶然荷载等极端工况下混凝土易发生裂纹失稳扩展与脆性坍塌，威胁基础设施安全。同时普通混凝土隔热性能差，建筑温控空调系统带来巨大能耗与碳排放。
现有仿生架构水泥基材料虽可实现韧性与隔热提升，但普遍依赖冰模板、3D打印、热压、激光切割等高能耗复杂制备手段，难以实现工程尺度规模化落地。
作者团队借鉴食品千层酥的加工原理，开发常温辊‑折叠工艺制备千层酥型架构水泥基材料（PPAC）。该材料构建交替排布的水泥薄层与离散板状空腔，在维持与浇筑水泥相当的比抗弯强度基础上，实现约20倍提升的比断裂韧性，导热系数大幅下降。
摘要
引言
水泥基材料在过去、未来很长一段时间内仍将是全球基础设施建设的主要材料。然而，由于水泥基材料本征韧性低和能量耗散能力差，传统混凝土结构在极端事件（包括地震、冲击和意外荷载）下容易发生不稳定的裂纹扩展和脆性破坏。这种破坏机制限制了其承受突然能量释放的能力，可能导致渐进性损伤或灾难性倒塌，从而威胁现有基础设施的安全和韧性。
尽管现代混凝土可以通过钢筋、纤维或聚合物进行增韧，但这些方法仅提供适度且有限的改善，延性和韧性的提升通常保持在两倍以下。此外，大多数城市混凝土建筑依赖高耗能的空调系统进行室内温度调节和热管理，这大大增加了能源消耗和碳排放。轻质泡沫混凝土提供了一条改善隔热的有前途的途径，但往往无法保持足够的力学性能。
受自然启发和结构设计一直是实现结构材料理想力学和功能性能的有前途的策略。最近，这些概念赋予了水泥基材料在延性、韧性和隔热方面的显著改善。这些策略主要通过创建分层有序结构、设计和排列弱界面，以及采用有机-无机成分的层状分布来实现，以模仿珍珠母、竹子、鱼鳞和骨骼等天然材料中的结构。韧性的提升通过缺陷诱导的裂纹扭转和偏转、有机相变形耗能，以及层状滑动和拔出等机制实现；而隔热的增强主要源于有序排列的导热屏障。
然而，现有高性能结构水泥基材料通常严重依赖复杂的制造方法，如3D打印、冰模板法、热压、激光切割⁵和预制模具浇筑。这些方法不仅需要大量时间，还涉及低温冷却、加热、真空浸渍和冻融循环等过程，从而对材料制造的可扩展性、成型性、生产效率和能耗施加了重大限制。因此，水泥基结构材料在实现简便、灵活和高效的大规模制造方面仍面临挑战，必须解决这些问题以满足基础设施级别建设的需求。
近年来，水凝胶-水泥基复合材料的设计在水泥基材料的增韧策略中显示出极大的兼容性和潜力，通过创建层状结构、增加基体的吸能能力并提高材料的应变能力。然而，目前的方法在同时实现足够的性能改善、温和的加工条件和良好的可扩展性方面面临挑战，因此大多局限于实验室规模的研究，阻碍了大规模实施。
在这项工作中，通过利用水凝胶，作者团队开发了一种千层酥皮结构水泥基材料（PPAC），其特征是在微米尺度上具有由交替分布的固相和层状空腔组成的排列良好的层状结构。PPAC 的制备不需要热压、冷冻或成型工艺，并且可以完全在环境条件下进行。同时，它展现出卓越的可扩展性和几何适应性，能够成功制造具有大尺寸和多样化几何形状的组件。通过诱导裂纹偏转和机械互锁，PPAC 结构在不损害其比强度的情况下有效增强了材料的断裂韧性。同时，PPAC 结构赋予了材料明显的隔热性能，这也是基础设施工程中非常理想的特性。这赋予了 PPAC 除了出色结构性能之外的多功能性和热管理优势。
结果，在保持与常规浇筑水泥基材料相当的比抗弯强度的同时，PPAC 同时实现了超过 90 MPa·mm⁰·⁵/g·cm³ 的比断裂韧性和 0.38 W/m·K 的热导率，分别比普通浇筑水泥浆体高约 20 倍和低 68.3%。其断裂韧性远超传统的纤维增强和钢筋混凝土，达到了与聚合物和某些先进技术陶瓷相当的水平，而热导率仍显著低于具有可比密度的轻质混凝土。这些发现证明了该 PPAC 材料在下一代大规模韧性基础设施中的强大应用潜力，结合了出色的结构性能、高效的热管理以及温和条件下的简便制造工艺。
结果
🏭 制备策略
作者团队的制备策略灵感来源于食品工程中千层酥皮的制造过程，该过程采用了一种非常简单但高度有效的方法来生成排列良好的层状结构。在该过程中，面团被反复折叠和辊压，同时涂抹黄油以防止层间粘连，从而形成层状结构。在油炸过程中，面团内的黄油融化并被去除，最终产生分层的千层酥皮结构。这种辊压-折叠过程类似于先进金属材料中用于制造先进多层金属的累积辊压键合（ARB）技术。
在这里，作者团队采用了这一概念来制造千层酥皮结构水泥基材料。通过适当的配合比设计，水泥基材料在其塑性阶段可以表现出类似面团的塑性。同时，采用海藻酸钠（SA）作为“黄油”以防止相邻水泥层间的层间键合。SA 是一种低成本、无毒的生物提取多糖，能够与二价和三价金属离子（尤其是钙离子）交联，形成稳定且不溶于水的凝胶。由于新鲜水泥浆体表面会释放大量钙离子，SA 可以在表面快速自发交联，无需任何额外处理。这种交联水凝胶为防止水泥浆体层间键合以及创建排列良好的弱界面提供了基础。
在此基础上，通过对涂有海藻酸盐基水凝胶的水泥浆体进行辊压、切割、折叠并重复此过程，可以创建层状水泥基材料。由于其“蛋盒”交联网络（官网补充图4）和高度水合状态（含水量 > 90%，官网补充图3），在水泥浆体表面生成的海藻酸盐基水凝胶具有有限的变形能力（官网补充图6–7）。因此，在反复辊压过程中，它可以随着塑性水泥浆体的面内拉伸变形而断裂（图1b，官网补充8），创造出允许相邻水泥浆体层之间机械互锁的区域，从而保持制造材料的整体完整性（图1b，官网补充图9）。随着反复的辊压-折叠循环，材料中的薄片数量呈指数级增加，仅经过几次重复过程即可形成高度明显的层状结构（本研究中的最大折叠次数为 7 次）。之后，材料中的水凝胶薄片在环境干燥和水泥浆体吸水的作用下逐渐干燥形成薄膜，留下片状空腔，最终生产出千层酥皮结构水泥基材料（PPAC）（图1b）。
在常温环境条件下，经过 7 次折叠循环后，作者团队获得了表现出明显多层结构并嵌入离散弱界面的 PPAC（图1c）。PPAC 表现出显著的裂纹偏转能力（图1c），断裂表面也显示出清晰的层状结构（图1d）。
a：千层酥食品制备工艺示意图。传统制备流程包含反复涂抹黄油、折叠、辊压，之后经油炸得到成品千层酥。
b：制备 PPAC 的辊压‑折叠法示意图。该工艺包含反复涂抹海藻酸钠、折叠、辊压循环，之后经干燥硬化得到 PPAC。
c：PPAC 试样侧面的层状弱界面，以及三点弯曲（3PB）测试过程中观测到的裂纹偏转行为。
d：材料所呈现出的断裂形貌。
(图片引自《Nat. Commun.》官网)
💪 力学性能
与浇筑对照样相比，PPAC 试样表现出裂纹偏转和延性断裂（图2）。由于不使用 SA 的辊压-折叠不会显著改变力学响应（官网补充图10），这些特征在机理上归因于交联海藻酸盐基水凝胶引入的弱界面。因此，PPAC 在垂直于界面的弯曲下韧性得到增强（参见官网补充图11 中的平行加载结果），并随着反复辊压-折叠产生的界面数量增加而进一步放大。具体而言，在无缺口试样的三点弯曲（3PB）结果中，Fold-7（代表辊压-折叠循环次数为 7 的 PPAC 试样）表现出与传统浇筑水泥浆体截然不同的力学响应，其特征是阶梯状、曲折和非脆性行为（图2a）。相比之下，这一特征在 Fold-5 和 Fold-3 中显著减弱，证实了 PPAC 内部层状结构的数量是影响其力学性能的关键因素。Fold-7 试样在峰值荷载后的破坏被显著延迟，并观察到多次后续的荷载上升和下降，表现出渐进和多阶段的断裂特征以及渐进破坏（图2a）。这导致了出色的延性增强：与浇筑试样相比，Fold-7 的破坏应变达到了浇筑对照样的约 20 倍（图2b）。
a：不同辊‑折叠循环次数的 PPAC 试样与浇筑试样的典型三点弯曲（3PB）曲线。
b、d、f、g、h：不同辊‑折叠循环次数 PPAC 试样与浇筑试样的各项比力学参数对比。无显著性标记代表各组结果之间无统计学差异。
c：PPAC 试样与浇筑试样的密度。
e：不同辊‑折叠循环次数的 PPAC 试样与浇筑试样的典型单边缺口梁（SENB）测试曲线。
i：数字图像相关（DIC）技术捕捉的 Fold‑7 试样在 SENB 测试过程中的典型裂纹扩展过程。
j：典型抗裂纹扩展曲线（J‑R 曲线），表征不同辊‑折叠循环次数 PPAC 试样与浇筑试样的断裂抗力KJ随裂纹扩展量Δa的变化关系。图中灰色虚线为 ASTM E1820 标准规定的最大裂纹扩展限值；采用曲线在该限值对应位置的数值计算断裂韧性KJC。柱状图数据表示为平均值 ± 标准差，取自 3 个独立试样 n=3；* 代表p<0.05，** 代表p<0.01，表示存在统计学显著差异。P 值由 t 检验得到。原始数据见源数据文件。
(图片引自《Nat. Commun.》官网)
此外，尽管 PPAC 试样的密度随着辊压-折叠循环次数的增加而明显降低（Fold-7 的密度比 Cast 低 17.2%）（F图2c），但比抗折强度（比 MOR）并未受到显著影响，仍与浇筑试样相当（图2d）。这可能与材料的裂纹萌生行为有关。与由连续弱界面和离散固相组成的砖- mortar 结构设计不同，PPAC 由离散弱界面和互锁固相组成，这使得裂纹萌生仍然可以发生在固体水泥基相内。同时，表征裂纹萌生处断裂韧性的单边缺口弯曲（SENB）测试（图2e）表明，具有不同辊压-折叠循环次数的 PPAC 试样以及浇筑试样保持了相似的 KIC 水平（图2f），再次证实了这一点。在关于仿生水泥基结构材料的研究中报道了类似的机制，其中性能增强也是由空隙引导的结构设计诱导的。这些结果表明，PPAC 可以在不牺牲其比强度的情况下实现增强的延性和断裂韧性。这导致 Fold-7 的弯曲韧性达到 190 kJ/m³，约为浇筑试样的 15 倍（图2g）。
在 SENB 结果中，由于预制缺口的存在，浇筑试样在较低应力水平下表现出脆性断裂。然而，PPAC 试样仍表现出与无缺口 3PB 测试中观察到的类似的延性断裂行为（图2e，官网补充视频1）。使用数字图像相关（DIC）对裂纹扩展的进一步分析揭示了荷载-位移曲线的多阶段特征及相应的裂纹路径（图2i）。Fold-7 仍表现出最坚韧的断裂行为，在此作为代表性试样展示。Fold-7、Fold-5 和 Fold-3 的完整结果见官网补充图 12–14。具体而言，在 Fold-7 中，初始裂纹扩展沿着缺口发生显著偏转（图2e, i 中的 Stage 1）。随后，Fold-7 试样并未瞬间失效，而是如 SENB 曲线所示表现出多次荷载上升和下降。这一过程发生在 #1 主裂纹扩展期间，并在裂纹完全穿透试样时结束（图2e, i 中的 Stage 2）。这表明 #1 主裂纹穿过了多个弱界面，导致伴随多次小规模偏转的渐进和顺序断裂。此后，Fold-7 试样仍未失效，而是从 #1 裂纹路径的应力集中区域分支出 #2 裂纹，在扩展过程中产生进一步的渐进破坏（图2e, i 中的 Stage 3）。在此过程中，荷载逐渐下降直至裂纹完全穿透试样（图2e, i 中的 Stage 4）。然而，试样在荷载在一定范围内波动时仍能保持整体完整性（图2e 中的虚线框）。之后，由于层间机械互锁（将在后文讨论），试样继续发生延性变形。机械互锁和层间摩擦提供了抵抗层状拔出的阻力，使延性响应得以继续。这种行为类似于珍珠母和贝壳启发仿生结构中的层状拔出效应。
裂纹阻力曲线（J-R 曲线）全面捕捉了比断裂韧性随裂纹扩展的演变（图2j）。浇筑试样在裂纹萌生后立即表现出脆性破坏，KJ 保持在初始 KIC 不变。相比之下，PPAC 显示出具有上升阶段的 J-R 曲线，类似于具有珍珠母状结构的坚韧仿生材料。值得注意的是，Fold-7 在 J-R 曲线中表现出两个明显的上升阶段，这与通过 DIC 分析和 SENB 测试观察到的两次裂纹扩展事件完美吻合。这强烈证明了 Fold-7 在裂纹扩展过程中的出色抗裂性。根据 ASTM 关于脆性材料 KJC 测定的限制，Fold-7 的比断裂韧性达到约 90 MPa·mm⁰·⁵/g·cm³，约为浇筑试样的 22 倍（图2h）。
然而，需要注意的是，尽管结果表明随着辊压-折叠循环次数的增加力学性能得到改善，但本研究仅展示了最多 7 次折叠的结果。这一限制源于超过 7 次循环后加工性能的显著恶化，使得使用本工作中的设备难以保持稳定的辊压-折叠过程。原则上，PPAC 预计会表现出与特定混合物的循环次数相关的性能极限。然而，这仍有待在未来进行系统研究。
隔热性能
PPAC 的层状结构带来显著的热各向异性；当热流垂直层状结构方向，材料表现出优异隔热性能。参考已有文献，作者团队采用火焰芯温度约 1300 ℃的喷灯加热试样表面，红外相机记录背侧温度，定性评价 Fold‑7 垂直层方向的耐热隔热性能。试样尺寸 40 mm（高）×40 mm（宽）×35 mm（厚）。
持续火焰加热条件下，Fold‑7 试样背侧温度上升速率远慢于浇筑试样。火焰持续加热 15 min 后，浇筑试样背侧最高温度达到 94.4 ℃，而 Fold‑7 仅为 44 ℃；即使加热 20 min，Fold‑7 背侧最高温度也仅为 52.5 ℃。应当说明，该测试并未遵循标准化流程，仅作为直观定性演示 PPAC 隔热性能。
因此作者团队进一步采用 Hot Disk 设备开展更加精确的定量测试，结果显示 Fold‑7 导热系数仅为 0.38 W/(m・K)，对比浇筑试样 1.2 W/(m・K) 下降 68.3%；该导热系数显著优于同等密度的轻质混凝土。
图3：千层酥架构水泥基材料（PPAC）的隔热性能
a：防火耐热测试装置示意图。采用丁烷喷灯，火焰芯温度约 1300 ℃。
b：试样背面典型最高温度变化曲线。
c、d：防火耐热测试过程中试样背面典型红外热成像图，图中标注数值为对应区域的最高温度。
e：浇筑试样、密度与 PPAC‑Fold‑7 接近的轻质混凝土、PPAC‑Fold‑7 三者导热系数对比。轻质混凝土数据引自文献 52‑55。柱状图数据表示为平均值 ± 标准差，取自 3 个独立试样 (n=3)；* 代表 p<0.05，** 代表 p<0.01，代表统计学差异显著。P 值由 t 检验得到。原始数据见源数据文件。
(图片引自《Nat. Commun.》官网)
🔍 材料结构与功能机制
X-CT 结果表明，经过多次辊压-折叠循环后，PPAC Fold-7 表现出明显的层状结构，其中固相和弱相交替平行排列（图 4a）。弱相主要起源于 SA 水凝胶占据的空间。其厚度主要取决于 SA 水凝胶在辊压过程中破裂时的厚度（官网补充图6–8）。因此，弱相的厚度分布主要集中在几百微米以内，并且在不同的辊压-折叠循环中相似（图 4b，官网补充图16）。相比之下，固相的厚度分布高度依赖于辊压-折叠循环的次数（官网补充图16）。随着辊压-折叠循环的增加，离散弱相的数量显著增加，而固相的厚度逐渐减小（官网补充图16, 17）。在 PPAC Fold-7 中，固相的最可能厚度落在 300~900 μm 范围内（图4c），使得通过这种简单且环境友好的辊压-折叠方法能够在微米尺度上构建层状结构。同时，弱相的长度主要分布在几毫米范围内，最可能值在 3 mm 左右（图4b，官网补充图16）。这表明水凝胶在多次辊压-折叠过程后已充分碎片化，确保了水泥浆体薄片之间的有效互锁，并保持了 PPAC 材料的整体完整性。
图4：PPAC‑Fold‑7 的材料结构与性能作用机理
a：X‑CT 重建得到的层状结构。该结构由基体固相与片状空腔构成的弱相交替堆叠组成。
b、c：固相、弱相的厚度分布，以及弱相长度分布。原始数据见源数据文件。
d‑i：SEM 与 EDS 扫描观测得到的层状结构。结果证实海藻酸钠水凝胶促成该层状结构形成。本图为色彩增强版本，原始图像参见官网补充图 19。
j：增韧机理示意图，包含裂纹偏转与机械互锁效应。
k、l：断裂后的机械互锁现象。即便发生断裂，PPAC 试样仍可拼合复原，保留部分结构完整性与承载能力。
m：传热仿真结果。PPAC 内部层状空腔可有效阻碍热量传递。
n：隔热机理示意图：层状空腔充当热传导阻隔屏障，水泥‑空气界面实现红外辐射多次反射。
(图片引自《Nat. Commun.》官网)
SEM 观察进一步证实了 PPAC Fold-7 的层状结构，揭示了水泥基体、空腔和海藻酸钠薄膜的三元结构（图4d–i，官网补充图18、补充表3）。这种结构的形成是因为 SA 水凝胶在水泥水合和环境干燥过程中脱水，在原本占据的区域内留下了厚度仅约 10 μm 的聚合物薄膜和厚度约 300 μm 的层状空腔（图4f, g, i）。同时，在水泥的早期水化过程中，随着内部相对湿度的降低，SA 层中的流体解吸也可能促进水从水凝胶向水泥基体的扩散。这种水的释放可能部分缓解水泥的自干燥和收缩，从而提供内养护效应，这也可以改善力学性能。然而，由于这不是本研究的重点，在此不作详细讨论。
这些层状弱界面阻碍了裂纹的扩展，并在断裂过程中诱导裂纹沿层间偏转（图 4j，官网补充图 20），导致层状断裂表面（图1d）。此外，由于弱相的长度远大于固相的厚度（图4b），在断裂处的相邻水泥基体薄片之间形成了强烈的机械互锁（图4j）。这种互锁效应有效地防止了水泥基体薄片的拔出，使得 PPAC Fold-7 即使在裂纹完全扩展后也能承受荷载而不发生灾难性破坏（图2b, i 和图4j, k, L，官网补充图 21–22，补充视频2）。相比之下，当辊压-折叠循环次数相对较少时，固相厚度急剧增加（官网补充图16），从而削弱了机械互锁效应，进一步证实了辊压-折叠循环与 PPAC 性能之间的正相关关系。裂纹偏转和层间机械互锁的协同效应为 PPAC 提供了类似于珍珠母状材料的增韧机制，尽管它们的基本结构不同（在 PPAC 中，弱界面作为离散相，而在珍珠母中，固体片晶代表离散相）。
为了进一步支持隔热结果，作者团队基于获得的 PPAC 结构进行了多物理场传热模拟。在该模拟中，同时考虑了通过固相（水泥基体）和弱相（层状空腔）的共轭传导以及热辐射。模拟结果与防火和隔热测试高度一致（图4m，官网补充视频3）。在模型构建过程中，采用了简化的 2D 模型（官网补充图30）。基于图4b 中的观察，弱空腔被理想化为长宽比为 10:1 的矩形，孔隙介质定义为空气。2D 模型中的孔隙面积根据 Fold-7 试样的密度确定。然后采用规则的交错排列来近似互锁特征和分散的弱相分布。尽管使用了这种简化模型，但它保留了 PPAC 的关键结构特征并结合了适当的参数化。虽然该模拟不用于定量预测，但它仍能实现与浇筑对照样的方向性比较，从而部分反映 PPAC 的隔热优势。
PPAC 的隔热机制与文献中报道的珍珠母状陶瓷结构非常相似（图4n）。在传热方面，层状空腔的离散分布极大地限制了空气对流，而沿传导路径的多个层状空腔产生了连续的 low-conductivity 区域，有效阻碍了热传导。同时，排列良好的固-气界面促进了红外辐射的多次反射。这些效应共同显著阻碍了 PPAC 层状空腔内的热传递，导致热量集中在暴露表面附近，但在内部强烈衰减，从而在垂直于层状排列的方向上产生明显的传热阻力。
🏆 性能优势
图5a在比断裂韧性与比强度的关系图中说明了 PPAC 的性能优势，并与传统水泥基材料、玻璃、聚合物和先进技术陶瓷进行了比较。显然，PPAC-Fold 7 的比断裂韧性显著超过了传统水泥浆体、砂浆、混凝土和纤维增强混凝土，达到约 91 MPa·mm⁰·⁵/g·cm³，与聚丙烯（PP）和聚碳酸酯（PC）等聚合物以及氮化硅等技术陶瓷相当。
图5：PPAC 的性能优势与应用潜力
a：比断裂韧性‑比强度的阿什比图，对比本研究 PPAC 材料与多种工程材料的性能优势。材料筛选与分类参照文献 5,22,26；数据点均来自已发表文献 4,37‑51,72‑83。图中椭圆区域为手动绘制的示意范围，不用于定量解读。原始数据见源数据文件。
b：PPAC‑Fold‑7 与普通浇筑水泥浆的多功能对比。PPAC 兼具高韧性、隔热、轻质多重特性。
c：PPAC 的成型能力：PPAC 可加工为多种几何构件；字符 “SEU” 为东南大学缩写。 d PPAC 的可放大性：PPAC 可制备大尺寸结构构件。
(图片引自《Nat. Commun.》官网)
与普通的浇筑水泥浆体相比，PPAC 表现出明显的多功能性（图5b）。在比强度相近的情况下，PPAC 表现出更低的密度（比浇筑水泥浆体低 17.7%）、高得多的比断裂韧性（比浇筑水泥浆体高 20 倍以上）以及显著降低的热导率（比浇筑水泥浆体低 68.3%）。这些优势在土木工程和基础设施应用中对于韧性和节能城市非常理想。
此外，一个特别显著的特征是 PPAC 制备工艺的简单性。在制造过程中，不需要热压、真空处理、冻融循环或手动切割-组装。相反，辊压-折叠过程可以完全在室温下进行，7 次辊压-折叠循环在大约 30 分钟内完成，在本研究中生产出具有出色韧性和隔热性能的 PPAC-Fold 7。由于该过程完全在水泥基材料的塑性阶段进行，制造出的新鲜 PPAC 保留了足够的成型性和几何适应性。作者团队通过将 PPAC 模塑成字母“SEU”进一步证明了这一点，硬化后层状结构得到了很好的保留（图5c，官网补充图23）。这证实了 PPAC 可以很容易地塑造成各种几何组件。此外，大型 PPAC 组件可以通过增加辊筒尺寸和材料体积，或在塑性阶段连接多个 PPAC 单元来简单制造（图5c，官网补充图24）。这种成型性和可扩展性为大规模和实际施工提供了强大的可行性，克服了水泥基结构材料在大规模制造和规模化应用方面的长期限制。
讨论
在这项研究中，作者团队开发了一种以前未被发现的千层酥皮结构水泥基材料（PPAC），其特征是具有离散层状空腔的层状结构，同时表现出出色的比断裂韧性（约 91 MPa·mm⁰·⁵/g·cm³）和良好的隔热性能（0.38 W/m·K）。
现有的结构水泥基材料通常依赖于复杂的制造工艺，如冰模板法、热压、冻融循环或激光切割和组装，这对其可扩展性施加了严重限制，并阻碍了其在基础设施中的实际应用。相比之下，作者团队的块体 PPAC 可以通过简单的辊压-折叠工艺在环境温和条件下轻松生产，提供了卓越的可扩展性和成型性。这使得制造具有多样化几何形状的大型组件成为可能，从而克服了结构水泥基材料在基础设施规模应用中的长期障碍。
PPAC 的高断裂韧性和延性破坏行为可以通过减轻灾难性倒塌并降低相关风险和损失来增强基础设施的结构安全。同时，其出色的隔热性能可以实现高效的热管理，降低温度控制的能源消耗和相关碳排放。作者团队设想，PPAC 可以在推进下一代基础设施的安全性和服务性能方面发挥重要作用。
然而，尽管 PPAC 展示了性能优势和应用潜力，但这项工作仅代表了其在实际施工场景中大规模实施的初步步骤，仍有许多问题需要解决。例如，虽然已证明 SA 交联水凝胶能有效在水泥基材料中引入弱界面，但其理化性质及其可调性对界面形貌的影响需要进一步研究。此外，可能存在其他能够产生类似弱界面的材料，这为扩展 PPAC 概念并可能引入额外功能提供了机会。此外，考虑到基础设施的复杂服役条件，需要更多系统和策略驱动的研究，如抗压性能优化（补充材料1）、尺寸依赖行为、定制结构设计和长期耐久性。
为了将这一概念从实验室规模演示转化为实际应用，作者团队未来的工作将聚焦于材料和结构优化。特别是，考虑到水泥基系统的碳足迹和骨料在实际施工中的广泛使用，作者团队将探索把 PPAC 概念扩展到砂浆、混凝土甚至纤维增强复合材料。
此外，PPAC 的关键优势之一是其温和的加工条件、简单的制造程序和低成本（补充材料4）。本研究中使用的制造工艺仅限于实验室规模演示，主要作为概念验证。从工业角度来看，需要进一步优化工艺以提高可重复性并确保一致的产品质量。根据 PPAC 制造的基本原理，该过程中的每一步都具有强大的自动化潜力。机器人辅助、增材制造技术和工业自动化系统的集成可以实现 PPAC 高效且可扩展的生产线的开发。
尽管如此，本研究为结合了高韧性和隔热的 PPAC 建立了概念验证，为开发高性能和多功能基础设施材料提供了宝贵的见解。随着技术的不断进步，PPAC 可能实现基础设施系统的低成本、节能和可扩展制造，同时提供增强的安全性和高效的热管理，从而改善人类生活和工作环境的舒适度和韧性。
实验方法⚗️（精简）
🏭 水泥基千层酥皮结构材料（PPAC）的制备
将 SA 粉末（分析纯，AR）溶解在水中制备 SA 溶液，在环境温度下连续搅拌直至混合物达到均匀透明状态。将 P·O 42.5 硅酸盐水泥、自来水和粘度为 75,000 Pa·s 的羟丙基甲基纤维素（HPMC）混合以制备水泥浆体。水灰比为 0.3，HPMC 含量为水泥质量的 2 wt.%。连续搅拌 5 分钟后，将水泥浆体从搅拌机中取出，用硅油纸包裹，然后使用辊压机辊压至约 20 mm 的厚度。然后，移除硅油纸，将预先制备的 SA 溶液均匀涂抹在水泥浆体表面，消耗量约为 0.03 g/cm²。一分钟后，将水泥浆体切成两半，将两部分堆叠，用硅油纸包裹，再次辊压至 20 mm 厚度。随后重复表面 SA 涂覆、切割、堆叠和辊压的循环以达到所需的迭代次数。通过经验优化，重复过程最多进行 7 次而不损害材料的完整性，每个循环持续 3-5 分钟，7 个循环可在 30 分钟内完成。
💪 力学测试
根据 ASTM C293M-16⁸⁵ 进行三点弯曲（3PB）测试以表征 PPAC 的弯曲性能。为了确定包括 K_IC 和 K_JC 在内的韧性相关参数，根据 ASTM E1820-20b⁶⁷ 使用单边缺口弯曲（SENB）。3PB 和 SENB 中使用的试样被切割成尺寸为 40 mm（宽）× 40 mm（深）× 160 mm（长）的棱柱体。在 SENB 试样中，首先使用 1 mm 厚的金刚石锯片切割 2 mm 深的初始缺口，然后使用 300 μm 厚的刀片⁵ 再延伸 1 mm（Suppl. Fig. 26）。在 3PB 和 SENB 测试期间，使用 100 mm 的跨度长度，十字头进行位移控制，加载速率为 1 mm/min。另外使用数字图像相关（DIC）来识别对应于裂纹萌生的节点，并在 SENB 测试期间原位观察裂纹扩展。DIC 散斑图案使用转移贴纸制备，由白色背景和随机分布的直径约 1 mm 的黑点组成。
🔍 微观结构表征
进行 X 射线计算机断层扫描（X-CT）和三维重建以表征 PPAC 的层状结构。X-CT 扫描仪（YXLON International, Y. CT Precision）在 0.24 mA 和 195 kV 下运行，分辨率为 50 μm。使用商业软件 Avizo 3D 可视化和分析重建的 3D 图像。使用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散光谱（EDS）（ZEISS Sigma 360）进一步验证层状结构特征和成分，观察前溅射涂覆 Au 以提高导电性。
🌡️ 隔热表征
将试样切割成 40 mm × 40 mm × 35 mm 并放置在支架上。使用热导率仪（Hot Disk TPS 2500S）在室温下定量测量深度方向的热导率。
📊 数值模拟与统计分析
使用 COMSOL Multiphysics 进行 PPAC 结构中的传热数值模拟。弱相被简化为 10 mm × 1 mm 的矩形空气层。水泥基体的热导率设为 1.2 W/m·K，发射率设为 0.95。在一侧施加热流为 500 W·m⁻² 的线性热源模拟火焰暴露。统计数据以平均值 ± 标准差表示，每次测试至少重复 3 次（n=3）。使用 t 检验确认结果之间的显著性，P < 0.05 表示显著差异（*），P < 0.01 表示高度显著差异（**）。
中文翻译可能有偏差，以英文原文为准；文中数据、图片版权归原文作者团队所有
原文下载点击左下角阅读原文，或后台加微领取