受生物界“矛”“盾”式生存啟發(fā) 中國科大提出新仿生力學設計方案

　　中新網(wǎng)合肥6月24日電 (記者 吳蘭)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)，中國科學技術(shù)大學研究團隊與合作者提出一種高韌性微結(jié)構(gòu)力學設計方案，為高性能先進復合材料的制備提供了新的仿生結(jié)構(gòu)設計思路。

　　相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《美國科學院院刊》上。

　　記者24日從中國科學技術(shù)大學獲悉，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、何陵輝教授研究團隊與合作者，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”交錯結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)，設計了一種高斷裂韌性和對裂紋取向不敏感的非連續(xù)纖維扭轉(zhuǎn)復合結(jié)構(gòu)，并提出斷裂力學模型，揭示了裂紋取向不敏感、裂紋扭轉(zhuǎn)和纖維橋聯(lián)協(xié)同的增韌機制，給出了具有最優(yōu)斷裂韌性的此類復合材料結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設計策略。

　　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”交錯構(gòu)型通過磚塊滑移，促進裂紋橋聯(lián)增韌，兩者都是代表性高韌性生物材料結(jié)構(gòu)。在這場生存戰(zhàn)爭中，為什么“矛”通常會戰(zhàn)勝“盾”？

　　針對上述問題，研究團隊3D打印設計了一種非連續(xù)纖維扭轉(zhuǎn)復合結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的斷裂實驗表明，該結(jié)構(gòu)優(yōu)異的斷裂耗能對初始裂紋取向不敏感。通過調(diào)控螺旋角、纖維長度、扭轉(zhuǎn)角分布和橋聯(lián)韌性參數(shù)，可以實現(xiàn)適應各方向載荷的高韌性纖維復合結(jié)構(gòu)設計。

　　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，也為高性能先進復合材料的制備提供了新的仿生結(jié)構(gòu)設計思路和性能優(yōu)化的參數(shù)選擇原理。