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    中科大《PNAS》:提出“矛與盾”式生物競爭啟發的高韌性微結構力學設計方案
    2020-06-24  來源:高分子科技

      生物界“矛”與“盾”式的捕食者與被捕食者之間的生存戰爭啟發人們,調控材料微結構是結構材料獲取超常力學性能的重要途徑。自然界中,“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現象就是一場典型的生存戰爭。研究表明,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”交錯構型通過磚塊滑移促進裂紋橋聯增韌,兩者都是代表性高韌性生物材料結構。值得思考的是,在這場生存戰爭中,為什么 “矛”通常會戰勝“盾”? 為什么自然界中生物材料扭轉結構具有特定的螺旋角大小和扭轉角分布?如何將生物材料的微結構增韌策略應用于高韌性復合材料的研發?


      近日,中國科學技術大學倪勇教授、何陵輝教授研究團隊受自然界“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現象啟發,將螳螂蝦內的扭轉結構與貝殼內的“磚泥”交錯結構相結合,利用3D打印技術設計了一種高斷裂韌性和對裂紋取向不敏感的非連續纖維扭轉(DFB)復合結構,并提出斷裂力學模型揭示了裂紋取向不敏感、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。相關研究成果以“Discontinuous fibrous Bouligand architecture enabling formidable fracture resistance with crack orientation insensitivity”為題,于2020年6月22日發表在《美國科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)。


    圖1. DFB復合材料的3D打印設計及力學測試


      該團隊首先利用3D打印技術構建DFB結構的單邊缺口試樣,系統的彎曲斷裂實驗表明,DFB結構相比于單向纖維復合結構、正交纖維復合結構表現出對初始裂紋取向不敏感的高斷裂韌性(圖1);進一步觀測發現,DFB結構斷面失效模式包括裂紋扭轉區和纖維橋聯區;DFB結構中存在最優斷裂耗能對應的臨界螺旋角和纖維尺寸效應(圖2)。


    圖2. DFB結構中最大斷裂耗能對應的臨界螺旋角及纖維尺寸效應


      進一步,研究團隊發展考慮裂紋扭轉和纖維橋聯協同增韌的斷裂力學模型,揭示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;在臨界螺旋角下,裂紋偏轉和橋聯模式間的協同導致最優斷裂耗能(圖3)。


    圖3. 斷裂力學分析DFB結構中裂紋取向不敏感性及臨界螺旋角存在的力學機理


      最后,通過調控螺旋角、纖維長度、扭轉角分布和橋聯韌性參數,可以設計DFB結構的失效模式,實現適應各方向載荷的高韌性纖維復合材料的制造(圖4)。


    圖4. 高韌性DFB復合材料的結構優化設計策略


      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。


      論文的第一作者為中國科學技術大學近代力學系吳開金博士,通訊作者為倪勇教授。合作者為中國科學技術大學龔興龍教授俞書宏院士、加州大學圣地亞哥分校蔡盛強教授。本研究得到國家自然科學基金面上項目、中科院戰略性先導科技專項、中國科大人才培養計劃、創新團隊培育項目等的支持。


      原文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2020/06/19/2000639117

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