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中國科大等提出“矛與盾”式生物競爭啓發的高韌性微結構力學設計方案

2020-06-29 中國科學技術大學
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  生物界“矛”与“盾”式的捕食者与被捕食者之间的生存战争启发人们,调控材料微结构是结构材料获取超常力学性能的重要途径。受自然界“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象启发,中國科學技術大學教授倪勇、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,利用3D打印技术,设计了一种高断裂韧性和对裂纹取向不敏感的非连续纤维扭转复合结构,并提出断裂力学模型揭示了裂纹取向不敏感、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。6月22日,相关研究成果以Discontinuous fibrous Bouligand architecture enabling formidable fracture-resistance with crack-orientation insensitivity爲題,發表在PNAS上。

  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”交错构型通过砖块滑移促进裂纹桥联增韧,两者都是代表性高韧性生物材料结构。在这场生存战争中,为什么 “矛”通常会战胜“盾”?为什么自然界中生物材料扭转结构具有特定的螺旋角大小和扭转角分布?如何将生物材料的微结构增韧策略应用于高韧性复合材料的研发?

圖1.DFB複合材料的3D打印設計及力學測試

圖2.DFB複合材料的優化設計策略

  針對上述問題,研究團隊將扭轉結構和“磚泥”交錯結構組合,3D打印設計了一種非連續纖維扭轉(DFB)複合結構,系統的斷裂實驗表明,該結構優異的斷裂耗能對初始裂紋取向不敏感,同時在臨界螺旋角下斷裂耗能最優(圖1)。斷裂力學分析表明,對裂紋取向不敏感的高斷裂韌性起源于DFB結構中的裂紋偏轉和橋聯協同的混合增韌機制;存在臨界螺旋角,裂紋偏轉和橋聯模式間的協同導致最優斷裂耗能(圖2)。通過調控螺旋角、纖維長度、扭轉角分布和橋聯韌性參數,可以實現適應各方向載荷的高韌性纖維複合結構設計。

  該研究揭示了生物材料優異斷裂韌性的一種微結構起源,也爲高性能先進複合材料的制備提供了新的仿生結構設計思路和性能優化的參數選擇原理。

  論文的第一作者为中国科大近代力学系博士吴开金,通讯作者为倪勇。合作者为中国科大教授龚兴龙、中國科學院院士俞书宏、美国加州大学圣地亚哥分校教授Shengqiang Cai。研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中科院战略性先导科技专项、中国科大人才培养计划、创新团队培育项目等的支持。

  論文链接 

打印 責任編輯:侯茜

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