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【中國科學報】螳螂蝦錘擊貝殼 矛與盾增韌材料

2020-06-30 中國科學報 楊凡 桂運安
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  受自然界“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現象啟發,中國科學技術大學教授倪勇、何陵輝研究團隊與合作者將螳螂蝦內的“扭轉”結構與貝殼珍珠層內的“磚泥”交錯結構相結合,設計了一種具有高斷裂韌性、對裂紋取向不敏感的非連續纖維扭轉復合結構,提出了裂紋取向不敏感、裂紋扭轉和纖維橋聯協同的增韌機制,給出了具有最優斷裂韌性的此類復合材料結構的參數化設計策略。日前相關成果發表于美國《國家科學院院刊》。

  自然界中,捕食者螳螂蝦(“矛”)內的“扭轉”結構,可促使裂紋偏轉增韌;被捕食者貝殼(“盾”)內的“磚泥”交錯構型,則通過磚塊滑移促進裂紋橋聯增韌。這兩種微結構是高韌性生物材料的代表性結構。

  調控微結構是結構材料獲得超常力學性能的重要途徑。該研究團隊將“扭轉”結構與“磚泥”交錯結構組合,利用3D打印技術設計了一種非連續纖維扭轉(DFB)復合結構。實驗表明,DFB復合結構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。

  斷裂力學分析表明,對裂紋取向不敏感的高斷裂韌性,源于DFB結構中裂紋偏轉和橋聯協同的混合增韌機制;臨界螺旋角、裂紋偏轉和橋聯模式間的協同實現最優斷裂耗能;通過調控螺旋角、纖維長度、扭轉角分布和橋聯韌性參數,可實現適應各方向載荷的高韌性纖維復合結構設計。

幸运赛车开奖历史  該工作不僅揭示了生物材料優異斷裂韌性的一種微結構起源,也為高性能先進復合材料制備提供了新的仿生設計思路。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2000639117

  (原載于《中國科學報》 2020-06-30 第1版 要聞)
打印 責任編輯:侯茜

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