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Mineral Fusion via Dehydration‐Induced Residual Stress: From Gels to Ceramic Monoliths

材料科学 陶瓷 残余应力 融合 脱水 压力(语言学) 复合材料 矿物 化学工程 冶金 哲学 生物化学 语言学 化学 工程类
作者
Bo Li,Jing Zhong,Hongkun Li,Haikun Wu,Jie Yan,Jialun Gu,Weixia Dong,Peiyu Wang,Lanxi Li,Xinxue Tang,Xun‐Li Wang,Yang Ren,Jian Lü,Yang Yang Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202405218
摘要

Abstract Man‐made ceramics generally undergo harsh manufacturing conditions (e.g., high‐temperature sintering). In contrast, mineral structures with superior mechanical strength are generated in organisms under mild biocompatible conditions. Herein, it is reported that ceramic objects can be directly produced and strengthened by drying purely inorganic gels (PIGs), mimicking the biological tactic of fabricating continuous monoliths from hydrated amorphous precursors. The overall process is easy and biocompatible in that solutions of common iron and molybdate salts are mixed to generate a PIG, consisting of 80 wt% liquid water and amorphous mineral nanoparticles (hydrated iron molybdate: FeMo 2 H 7 O 11 ), which, upon drying under mild temperature, turns into a residual stress‐strengthened ceramic block that displays a high mechanical performance (with a hardness/elastic modulus of 1.7/17.5 GPa). Analogous to the well‐known Prince Rupert's drop reinforced by residual stress upon quenching, the uneven volume shrinkage from the outside inwards during dehydration builds up residual stress that enables amorphous mineral fusion (with the assistance of hydration water) and strengthening. Furthermore, a dramatic bandgap reduction is achieved in the dried objects due to local structural changes of the Fe atoms under residual stress. This PIG‐dehydration approach holds promise for green ceramic manufacturing and offers insights into biomineralization puzzles.

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