“生物竞争“矛与盾”的完美“合体”，造就出高韧性微结构复合材料”

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科学技术日报记者吴长锋

生物界“矛”、“盾”式捕食者和被捕食者之间的生存战争启发人们，控制材料的微结构是结构材料获得超常力学性能的重要方法。 在自然界“螳螂锤贝壳”捕食现象的启发下，中国科学技术大学教授倪勇、何陵辉教授的研究小组将合作者与螳螂虾内的扭曲结构和贝壳珍珠层内“砖泥”的交叉结构结合起来，利用3d打印技术实现了对高破坏韧性和裂缝方向不敏感的非连续 提出了断裂力学模型，明确了裂纹方向不敏感、裂纹扭曲和纤维桥联合的强化机理，给出了最佳的断裂机理。 相关研究成果于6月22日发表在《美国科学院纪要》上。

在自然界中，捕食者螳螂(“矛”)内的扭曲结构加强了裂缝的偏向，捕食者贝壳(“盾”)内“砖泥”的交错构型通过砖的滑移促进了裂缝交联的加强，两者都是具有代表性的高韧性生物材料结构。 值得思考的是，在这场生存战争中，为什么“矛”会战胜“盾”？ 为什么自然界生物材料的扭转结构具有特定的扭转角大小和扭转角分布？ 如何将生物材料微结构的强化战略应用于高韧性复合材料的开发？

针对上述问题，研究小组结合扭曲结构和“砖泥”交错结构，3d打印设计了不连续纤维扭曲( dfb )复合结构，系统的断裂实验表明，该结构优越的断裂能对初始裂纹的取向不敏感，临界螺旋角 断裂力学分析表明，对裂纹取向不敏感的高断裂韧性来源于dfb结构中裂纹偏转和桥的协同混合强化机理。 由于临界螺旋角、裂纹偏转和交联模式之间的协同，将产生最佳的破坏能。 通过控制螺旋角、纤维长度、扭转角分布和交联韧性参数，可以实现适应各方向载荷的高韧性纤维复合结构设计。

这一成果不仅揭示了生物材料优异断裂韧性的一种微结构起源，而且为高性能先进复合材料的制备提供了新的仿生设计思路和性能优化的参数选择原理。