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中科大《PNAS》:提出“矛与盾”式生物竞争启发的高韧性微结构力学设计方案
2020-06-24  来源:高分子科技

  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。自然界中,“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象就是一场典型的生存战争。研究表明,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。值得思考的是,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?


  近日,中国科学技术大学倪勇教授、何陵辉教授研究团队受自然界“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象启发,将螳螂虾内的扭转结构与贝壳内的“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(DFB)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。相关研究成果以“Discontinuous fibrous Bouligand architecture enabling formidable fracture resistance with crack orientation insensitivity”为题,于2020年6月22日发表在《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)。


图1. DFB复合材料的3D打印设计及力学测试


  该团队首先利用3D打印技术构建DFB结构的单边缺口试样,系统的弯曲断裂实验表明,DFB结构相比于单向纤维复合结构、正交纤维复合结构表现出对初始裂纹取向不敏感的高断裂韧性(图1);进一步观测发现,DFB结构断面失效模式包括裂纹扭转区和纤维桥联区;DFB结构中存在最优断裂耗能对应的临界螺旋角和纤维尺寸效应(图2)。


图2. DFB结构中最大断裂耗能对应的临界螺旋角及纤维尺寸效应


  进一步,研究团队发展考虑裂纹扭转和纤维桥联协同增韧的断裂力学模型,揭示对裂纹取向不敏感的高断裂韧性起源于DFB结构中的裂纹偏转和桥联协同的混合增韧机制;在临界螺旋角下,裂纹偏转和桥联模式间的协同导致最优断裂耗能(图3)。


图3. 断裂力学分析DFB结构中裂纹取向不敏感性及临界螺旋角存在的力学机理


  最后,通过调控螺旋角、纤维长度、扭转角分布和桥联韧性参数,可以设计DFB结构的失效模式,实现适应各方向载荷的高韧性纤维复合材料的制造(图4)。


图4. 高韧性DFB复合材料的结构优化设计策略


  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的制备提供了新的仿生结构设计思路和性能优化的参数选择原理。


  论文的第一作者为中国科学技术大学近代力学系吴开金博士,通讯作者为倪勇教授。合作者为中国科学技术大学龚兴龙教授俞书宏院士、加州大学圣地亚哥分校蔡盛强教授。本研究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。


  原文链接:https://www.pnas.org/content/early/2020/06/19/2000639117

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(责任编辑:xu)
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