記者10日從中國科學技術大學獲悉，該校中科院材料力學行為與設計重點實驗室駱天治教授團隊與武漢大學王正直副教授、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梯度、微觀結(jié)構(gòu)和力學性能之間的相關性，并通過有限元分析和3D打印技術確認了兩種結(jié)構(gòu)中的增韌機制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理。相關成果日前分別發(fā)表在學術期刊《ACS應用材料與接口》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)和化學成分特征。這些層狀結(jié)構(gòu)的局部力學性能與微結(jié)構(gòu)和化學成分密切相關，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打印技術制備了多個尾刺的仿生微結(jié)構(gòu)，通過力學測試驗證了布林根(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計理念。這為制備高強高韌的仿生復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)的局部力學性能與微結(jié)構(gòu)和化學成分也密切相關。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)化的力學性能，極大地降低了結(jié)構(gòu)的變形和界面應力，展示了有效的防護功能。這為抗沖擊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供了一種思路。
