記者10日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校中科院材料力學(xué)行為與設(shè)計重點實驗室駱天治教授團隊與武漢大學(xué)王正直副教授、張作啟教授合作，研究了具有防御功能的螳螂蝦尾刺(矛)和寄居蟹左螯(盾)，綜合利用多種實驗手段揭示了其從納米尺度到厘米尺度的化學(xué)梯度、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的相關(guān)性，并通過有限元分析和3D打印技術(shù)確認(rèn)了兩種結(jié)構(gòu)中的增韌機制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理。相關(guān)成果日前分別發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《ACS應(yīng)用材料與接口》和《生物材料》上。
生物界中存在的許多梯度材料提供了多個仿生材料設(shè)計原理。螳螂蝦尾刺的外骨骼包括四個不同的結(jié)構(gòu)層，每層都具有不同的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分特征。這些層狀結(jié)構(gòu)的局部力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分密切相關(guān)，幾者的組合有效地限制了裂紋的擴展，同時最大限度地釋放了變形過程中的應(yīng)變能，提高了結(jié)構(gòu)的整體韌性和強度。
研究人員使用3D打印技術(shù)制備了多個尾刺的仿生微結(jié)構(gòu)，通過力學(xué)測試驗證了布林根(Bouligand)結(jié)構(gòu)與徑向的平行層狀結(jié)構(gòu)的組合能極大地提高結(jié)構(gòu)總體韌性和強度這一設(shè)計理念。這為制備高強高韌的仿生復(fù)合材料提出了一條新的路徑。
寄居蟹左螯的外骨骼分為五層。同樣，這些層狀結(jié)構(gòu)的局部力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分也密切相關(guān)。特別是結(jié)構(gòu)中三維正交排列的己丁質(zhì)纖維通過橋接和拔出機制有效地提高了材料的斷裂韌性。
左螯穹頂狀形貌的局部曲率和三明治狀的層間力學(xué)性能分布，從整體上為其抗擊外部攻擊提供了優(yōu)化的力學(xué)性能，極大地降低了結(jié)構(gòu)的變形和界面應(yīng)力，展示了有效的防護功能。這為抗沖擊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了一種思路。
