螳螂虾锤击贝壳 矛与盾增韧材料

发布时间:2020-06-30 09:32 来源:中国科学报1版 阅读次数:
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受自然界“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象启发,中国科学技术大学教授倪勇、何陵辉研究团队与合作者将螳螂虾内的“扭转”结构与贝壳珍珠层内的“砖泥”交错结构相结合,设计了一种具有高断裂韧性、对裂纹取向不敏感的非连续纤维扭转复合结构,提出了裂纹取向不敏感、裂纹扭转和纤维桥联协同的增韧机制,给出了具有最优断裂韧性的此类复合材料结构的参数化设计策略。日前相关成果发表于美国《国家科学院院刊》。

自然界中,捕食者螳螂虾(“矛”)内的“扭转”结构,可促使裂纹偏转增韧;被捕食者贝壳(“盾”)内的“砖泥”交错构型,则通过砖块滑移促进裂纹桥联增韧。这两种微结构是高韧性生物材料的代表性结构。

调控微结构是结构材料获得超常力学性能的重要途径。该研究团队将“扭转”结构与“砖泥”交错结构组合,利用3D打印技术设计了一种非连续纤维扭转(DFB)复合结构。实验表明,DFB复合结构的断裂耗能对初始裂纹取向不敏感,同时在临界螺旋角下断裂耗能最优。

断裂力学分析表明,对裂纹取向不敏感的高断裂韧性,源于DFB结构中裂纹偏转和桥联协同的混合增韧机制;临界螺旋角、裂纹偏转和桥联模式间的协同实现最优断裂耗能;通过调控螺旋角、纤维长度、扭转角分布和桥联韧性参数,可实现适应各方向载荷的高韧性纤维复合结构设计。

该工作不仅揭示了生物材料优异断裂韧性的一种微结构起源,也为高性能先进复合材料制备提供了新的仿生设计思路。(记者杨凡 通讯员桂运安)

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2000639117