之前未知的弯曲和韧性之间的关系在层状材料有启发生物复合材料

时间:2020-02-20 18:17 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

之前未知的弯曲和韧性之间的关系在层状材料有启发生物复合材料

长期以来,工程师们从大自然中寻找灵感,一直认为贝类壳类的分层结构可以增强材料的韧性,但一项研究表明并非总是如此。

珍珠层本;软体动物外壳的闪光部分是生物灵感设计的典范。尽管珍珠层是由易碎的白垩构成,但其复杂的层状微结构赋予了它非凡的能力来抵御裂纹的蔓延,这是一种被称为韧性的材料特性。

工程师们希望设计出更坚固的材料,长期以来一直试图模仿这种自然分层,这种情况也出现在海螺壳、鹿角和其他地方。但布朗大学研究人员的一项新研究提醒人们:并非所有的层状结构都如此坚硬。

这项发表在《自然通讯》杂志上的研究测试了另一种以其物理特性而闻名的层状微结构一种叫做Euplectella aspergillum的海绵的锚状针状物。针状体是层状玻璃的细丝,将海绵固定在海底。研究人员说,针状体的层状结构常被拿来与珍珠层的结构作比较,人们认为针状体的结构同样能增强韧性。

“尽管珍珠层和真针状体的结构相似,我们发现针状体的结构在增强韧性方面做得相对较少,这与长期以来的假设相反,”Max Monn说,他是布朗大学刚毕业的博士生,也是这项研究的合著者。

之前未知的弯曲和韧性之间的关系在层状材料有启发生物复合材料

在这项研究中,研究人员比较了Euplectella针状体和另一种海绵物种Tethya aurantia的韧性。特提亚针状体的化学组成与真褶菌针状体相似,但缺乏层状结构。为了测试韧性,研究小组在针状体上开了小口,然后弯曲它们。通过测量裂纹在弯曲应变作用下从缺口扩展时所消耗的能量,研究人员可以量化两种类型针状体的韧性。

实验表明,这两种针状体的韧度差别很小,这说明共晶的层状并不能提供很大的韧度增强。利用计算机建模,研究人员能够更深入地研究为什么分层增强了某些材料的韧性,而不是其他材料。结果表明,圆柱形针状体的分层曲率对层状结构的韧性增强起着抑制作用。研究人员说,与珍珠层类似的扁平层似乎可以防止裂缝从一层向另一层扩散。但在具有弯曲层的材料中,如真褶菌针状体,裂纹能够从一层跳跃到另一层,而不是在层之间停止。

布朗大学工程学院的助理教授兼该论文的主要作者Haneesh Kesari说,这些发现揭示了一种之前未知的层状材料的弯曲度和韧性之间的关系,并对仿生复合材料的设计具有启示意义。

“具体来说,它表明,如果你采用分层结构来增强材料的韧性,你应该小心那些需要弯曲层的区域,”Kesari说。“我们对针状体的测量和计算模型的结果表明,弯曲层的韧性增强程度不如平面层。”

这些发现并不意味着Euplectella针状体的分层结构不有趣。克萨里实验室之前的研究表明,这种分层结构似乎极大地增加了针状体的数量。弯曲强度本;在失败之前能够承受较大的弯曲曲率。但研究人员说,抗弯强度和韧性是两种截然不同的机械性能,因此,从总体上讲,这有助于消除“分层可以增强韧性”的观念,这对于仿生设计来说是一个非常有用的认识。

“我们的研究表明,并非所有的层状结构都能显著提高韧性,”布朗大学的研究生、该研究的合著者Sayaka Kochiyama说。“更好地理解结构-性能关系对于避免幼稚的生物模拟是必要的。”

参考文献:刚性生物材料的层状结构不一定是增强复合材料韧性的模板。Michael A. Monn, Kaushik Vijaykumar, Sayaka Kochiyama和Haneesh Kesari, 2020年1月17日,《自然通讯》。

DOI: 10.1038 / s41467 - 019 - 14128 - 8

这项研究得到了海军研究办公室(N000141812494)、国家科学基金会(1562656)、美国机械工程师协会和美国国家航空航天局罗德岛空间资助联盟的支持。

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