生物界“矛”與“盾”式的捕食者與被捕食者之間的生存戰(zhàn)爭啟發(fā)人們，調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)材料獲取超常力學(xué)性能的重要途徑。受自然界“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現(xiàn)象啟發(fā)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授、何陵輝教授研究團(tuán)隊與合作者將螳螂蝦內(nèi)的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與貝殼珍珠層內(nèi)的“磚泥”交錯結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)設(shè)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(zhuǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)，并提出斷裂力學(xué)模型揭示了裂紋取向不敏感、裂紋扭轉(zhuǎn)和纖維橋聯(lián)協(xié)同的增韌機(jī)制，給出了具有最優(yōu)斷裂韌性的此類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計策略。相關(guān)研究成果6月22發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》上。

自然界中，捕食者螳螂蝦（“矛”）內(nèi)的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可促使裂紋偏轉(zhuǎn)增韌，被捕食者貝殼（“盾”）內(nèi)的“磚泥”交錯構(gòu)型通過磚塊滑移促進(jìn)裂紋橋聯(lián)增韌，兩者都是代表性高韌性生物材料結(jié)構(gòu)。值得思考的是，在這場生存戰(zhàn)爭中，為什么“矛”通常會戰(zhàn)勝“盾”？為什么自然界中生物材料扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)具有特定的螺旋角大小和扭轉(zhuǎn)角分布？如何將生物材料的微結(jié)構(gòu)增韌策略應(yīng)用于高韌性復(fù)合材料的研發(fā)？

針對上述問題，研究團(tuán)隊將扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和“磚泥”交錯結(jié)構(gòu)組合，3D打印設(shè)計了一種非連續(xù)纖維扭轉(zhuǎn)（DFB）復(fù)合結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的斷裂實驗表明，該結(jié)構(gòu)優(yōu)異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(yōu)。斷裂力學(xué)分析表明，對裂紋取向不敏感的高斷裂韌性起源于DFB結(jié)構(gòu)中的裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)協(xié)同的混合增韌機(jī)制；存在臨界螺旋角，裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)模式間的協(xié)同導(dǎo)致最優(yōu)斷裂耗能。通過調(diào)控螺旋角、纖維長度、扭轉(zhuǎn)角分布和橋聯(lián)韌性參數(shù)，可以實現(xiàn)適應(yīng)各方向載荷的高韌性纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計。

該這項成果不僅揭示了生物材料優(yōu)異斷裂韌性的一種微結(jié)構(gòu)起源，也為高性能先進(jìn)復(fù)合材料的制備提供了新的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和性能優(yōu)化的參數(shù)選擇原理。