受自然界“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現(xiàn)象啟發(fā)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授倪勇、何陵輝研究團(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，設(shè)計(jì)了一種具有高斷裂韌性、對裂紋取向不敏感的非連續(xù)纖維扭轉(zhuǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)，提出了裂紋取向不敏感、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。日前相關(guān)成果發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

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，則通過磚塊滑移促進(jìn)裂紋橋聯(lián)增韌。這兩種微結(jié)構(gòu)是高韌性生物材料的代表性結(jié)構(gòu)。

調(diào)控微結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)材料獲得超常力學(xué)性能的重要途徑。該研究團(tuán)隊(duì)將“扭轉(zhuǎn)”結(jié)構(gòu)與“磚泥”交錯(cuò)結(jié)構(gòu)組合，利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一種非連續(xù)纖維扭轉(zhuǎn)（DFB）復(fù)合結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，DFB復(fù)合結(jié)構(gòu)的斷裂耗能對初始裂紋取向不敏感，同時(shí)在臨界螺旋角下斷裂耗能最優(yōu)。

斷裂力學(xué)分析表明，對裂紋取向不敏感的高斷裂韌性，源于DFB結(jié)構(gòu)中裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)協(xié)同的混合增韌機(jī)制；臨界螺旋角、裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)模式間的協(xié)同實(shí)現(xiàn)最優(yōu)斷裂耗能；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)。

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)合材料制備提供了新的仿生設(shè)計(jì)思路。（記者楊凡 通訊員桂運(yùn)安）

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2000639117