記者6月24日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與合作者受生物界“矛”與“盾”式的捕食者與被捕食者之間的生存戰(zhàn)啟發(fā)，提出一種高韌性微結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)方案，為高性能先進(jìn)復(fù)合材料的制備提供了新的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》上。
受自然界“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現(xiàn)象啟發(fā)，該校倪勇教授、何陵輝教授研究團(tuán)隊(duì)與合作者將螳螂蝦內(nèi)的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與貝殼珍珠層內(nèi)的“磚泥”交錯(cuò)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一種高斷裂韌性和對(duì)裂紋取向不敏感的非連續(xù)纖維扭轉(zhuǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)，并提出斷裂力學(xué)模型揭示了裂紋取向不敏感、裂紋扭轉(zhuǎn)和纖維橋聯(lián)協(xié)同的增韌機(jī)制，給出了具有最優(yōu)斷裂韌性的此類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)策略。
自然界中，捕食者螳螂蝦(“矛”)內(nèi)的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可促使裂紋偏轉(zhuǎn)增韌，被捕食者貝殼(“盾”)內(nèi)的“磚泥”交錯(cuò)構(gòu)型通過磚塊滑移促進(jìn)裂紋橋聯(lián)增韌，兩者都是代表性高韌性生物材料結(jié)構(gòu)。在這場(chǎng)生存戰(zhàn)爭(zhēng)中，為什么“矛”通常會(huì)戰(zhàn)勝“盾”?針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)3D打印設(shè)計(jì)了一種非連續(xù)纖維扭轉(zhuǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的斷裂實(shí)驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)優(yōu)異的斷裂耗能對(duì)初始裂紋取向不敏感。通過調(diào)控螺旋角、纖維長(zhǎng)度、扭轉(zhuǎn)角分布和橋聯(lián)韌性參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)各方向載荷的高韌性纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
據(jù)介紹，該工作不僅揭示了生物材料優(yōu)異斷裂韌性的一種微結(jié)構(gòu)起源，也為高性能先進(jìn)復(fù)合材料的制備提供了新的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和性能優(yōu)化的參數(shù)選擇原理。(記者 陳婉婉)
