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)，中國科學技術大學研究團隊與合作者提出一種高韌性微結構力學設計方案，為高性能先進復合材料的制備提供了新的仿生結構設計思路。

　　相關研究成果近日發(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)的扭轉結構與貝殼珍珠層內(nèi)的“磚泥”交錯結構相結合，利用3D打印技術，設計了一種高斷裂韌性和對裂紋取向不敏感的非連續(xù)纖維扭轉復合結構，并提出斷裂力學模型，揭示了裂紋取向不敏感、裂紋扭轉和纖維橋聯(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構的參數(shù)化設計策略。

　　自然界中，捕食者螳螂蝦(“矛”)內(nèi)的扭轉結構可促使裂紋偏轉增韌，被捕食者貝殼(“盾”)內(nèi)的“磚泥”交錯構型通過磚塊滑移，促進裂紋橋聯(lián)增韌，兩者都是代表性高韌性生物材料結構。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)纖維扭轉復合結構，系統(tǒng)的斷裂實驗表明，該結構優(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構設計。

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