螳螂虾、寄居蟹助力高强高韧仿生材料的制备

中国科学技术大学,中科院材料力学行为与设计重点实验室骆天治教授团队与武汉大学王正直副教授、张作启教授合作,研究了具有防御功能的螳螂虾尾刺(矛)和寄居蟹左螯(盾),综合利用多种实验手段揭示了其从纳米尺度到厘米尺度的化学梯度、微观结构和力学性能之间的相关性,并通过有限元分析和3D打印技术确认了两种结构中的增韧机制和结构优化原理。相关成果日前分别发表在学术期刊《ACS应用材料与接口》和《生物材料》上。

生物界中存在的许多梯度材料提供了多个仿生材料设计原理。螳螂虾尾刺的外骨骼包括四个不同的结构层,每层都具有不同的微观结构和化学成分特征。这些层状结构的局部力学性能与微结构和化学成分密切相关,几者的组合有效地限制了裂纹的扩展,同时最大限度地释放了变形过程中的应变能,提高了结构的整体韧性和强度。

研究人员使用3D打印技术制备了多个尾刺的仿生微结构,通过力学测试验证了布林根(Bouligand)结构与径向的平行层状结构的组合能极大地提高结构总体韧性和强度这一设计理念。这为制备高强高韧的仿生复合材料提出了一条新的路径。

寄居蟹左螯的外骨骼分为五层。同样,这些层状结构的局部力学性能与微结构和化学成分也密切相关。特别是结构中三维正交排列的己丁质纤维通过桥接和拔出机制有效地提高了材料的断裂韧性。

左螯穹顶状形貌的局部曲率和三明治状的层间力学性能分布,从整体上为其抗击外部攻击提供了优化的力学性能,极大地降低了结构的变形和界面应力,展示了有效的防护功能。这为抗冲击结构的优化设计提供了一种思路。

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