科學網—螳螂蝦錘擊貝殼 矛與盾增韌材料

2021-02-08 科學網

 

本報訊（記者楊凡 通訊員桂運安）受自然界「螳螂蝦錘擊貝殼」的捕食現象啟發，中國科學技術大學教授倪勇、何陵輝研究團隊與合作者將螳螂蝦內的「扭轉」結構與貝殼珍珠層內的「磚泥」交錯結構相結合，設計了一種具有高斷裂韌性、對裂紋取向不敏感的非連續纖維扭轉複合結構，提出了裂紋取向不敏感、裂紋扭轉和纖維橋聯協同的增韌機制，給出了具有最優斷裂韌性的此類複合材料結構的參數化設計策略。日前相關成果發表於美國《國家科學院院刊》。

自然界中，捕食者螳螂蝦（「矛」）內的「扭轉」結構，可促使裂紋偏轉增韌；被捕食者貝殼（「盾」）內的「磚泥」交錯構型，則通過磚塊滑移促進裂紋橋聯增韌。這兩種微結構是高韌性生物材料的代表性結構。

調控微結構是結構材料獲得超常力學性能的重要途徑。該研究團隊將「扭轉」結構與「磚泥」交錯結構組合，利用3D列印技術設計了一種非連續纖維扭轉（DFB）複合結構。實驗表明，DFB複合結構的斷裂耗能對初始裂紋取向不敏感，同時在臨界螺旋角下斷裂耗能最優。

斷裂力學分析表明，對裂紋取向不敏感的高斷裂韌性，源於DFB結構中裂紋偏轉和橋聯協同的混合增韌機制；臨界螺旋角、裂紋偏轉和橋聯模式間的協同實現最優斷裂耗能；通過調控螺旋角、纖維長度、扭轉角分布和橋聯韌性參數，可實現適應各方向載荷的高韌性纖維複合結構設計。

該工作不僅揭示了生物材料優異斷裂韌性的一種微結構起源，也為高性能先進複合材料製備提供了新的仿生設計思路。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2000639117

《中國科學報》 (2020-06-30 第1版 要聞)

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    蝦蛄還有許多其他的外號，如爬蝦、口蝦、富貴蝦等等，不過用「螳螂蝦」來形容它們或許才是最貼切的。另一種則是使用「拳頭」的粉碎型蝦蛄，比如雀尾螳螂蝦。這類蝦蛄會使用它們堅固的錘狀爪子來撞擊物體表面，尤其喜歡一拳一拳砸碎獵物的外殼，然後吃掉裡面的肉。
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