近日，东南大学材料科学与工程学院、重大基础设施工程材料全国重点实验室张亚梅教授团队博士生夏锴伦用水泥和水“手搓”千层饼，并以此在Nature子刊《Nature communications》（IF=18.1）发表了题为“Tough, thermal insulating and scalable puff pastry-inspired architected cementitious material via simple rolling-folding”的研究成果。
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水泥基材料的断裂韧性和保温隔热性能是提高下一代基础设施安全性、舒适性与可持续发展的关键。近年来，建构化材料（Architected material）设计概念通过在材料亚微观度上构建特殊人工结构实现了多种材料性能的提升与功能实现，这一新兴概念也为实现水泥基材料兼具良好断裂韧性与功能性提供了可能。然而，目前层状结构水泥基材料的制备大多依赖冰模板、热压、激光切割组装等工艺，这些工艺存在能耗高、工序复杂、成型尺度受限等局限性。为实现在基础设施中的大规模应用，兼具宏量制备简便性、优异性能，以及尺度可扩展、经济的水泥基构筑材料仍亟待研究与突破。
针对现有基础设施革新过程中的性能需求，以及建构化材料的应用潜力与挑战，研究团队受千层饼制作流程启发，使用海藻酸钠原位交联水凝胶隔绝水泥浆体间的粘结以形成弱界面，并且通过多次“辊压-折叠”使弱界面数量迅速递增，成功制备了具有显著层状特征与平行弱界面排布的水泥基构筑材料。这一制备工艺简便，在室温下即可进行。同时，制备后材料在硬化前可进行二次成型或拼接来实现特定几何形状或更大尺寸。相较于已有的构筑水泥基材料相关研究，该研究有效降低了工艺的复杂性、减少了制备能耗、并且具有更好的成型灵活性、尺度可扩展性和经济性。
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图1 受千层饼制作流程启发的辊压-折叠法制备层状水泥基构筑材料（PPAC） |
该方法制得的PPAC材料呈现出显著的由水泥基体固相和薄弱界面相平行交错构成的有序层状特征。大量弱界面的存在使裂纹在PPAC中表现出显著的偏转与二次启裂行为，这赋予了PPAC显著的延性断裂特征与优异韧性。相较于传统浇筑水泥基材料，PPAC展现出了明显的层级破坏特征、裂纹扩展抵抗能力以及类似于贝壳材料的J-R曲线上扬段，其最大弯曲挠度和断裂韧性可提高约20倍，比断裂韧性（KJC/ρ）可达90 MPa·mm0.5/（g·cm³），显著高于传统的纤维增强混凝土，达到了部分聚合物与先进陶瓷材料的水平。
与此同时，PPAC中有序排列的层状薄弱空腔能有效阻碍热传导、同时大量水泥-空气界面能够对热辐射进行多级反射，最终使PPAC具有轻质且保温隔热的特性。PPAC的密度约为相同配比浇筑水泥基材料的85%左右。同等火焰加热条件下，试件背面温度相较于浇筑材料下降超过50%。同时，其导热系数仅为0.38W/m·K，相较于浇筑材料降低了68%左右，相较于密度相似的轻质混凝土材料下降50%左右。
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图2 PPAC水泥基建构化材料的层状亚微观结构特征及力学与隔热性能 |
该研究提出的PPAC材料兼具了优异的断裂韧性与保温隔热性能。在基础设施中，其优异的韧性有助于避免建筑在灾害下的突发性破坏，延长人员救助与财产转移窗口。同时，其保温隔热性能有助于降低室内温控能耗，减少碳排放。这些性能优势十分契合当下基础设施迭代更新过程中对安全、舒适、节能低碳等综合需求。
此外，相较于目前已有的其它水泥基构筑材料研究成果，该研究提出的PPAC材料制备流程中不包含任何热压、冷冻、复杂拼装等工序。PPAC材料具备室温下宏量制备的能力，且能够简便地进行尺度扩展和复杂形状几何定制。结合上述优势，该研究提出的概念与方法对于推动基础设施材料革新具有重要意义，所得到的PPAC材料有望在下一代基础设施中发挥重要的作用。
东南大学为该论文的第一完成单位和第一通讯单位，2023级博士生夏锴伦为论文第一作者，张亚梅教授为论文唯一通讯作者；该研究工作获国家自然科学重点基金与国家自然科学面上基金等项目资助。
