螳螂虾以其强大的力量而闻名,它的猎物中有一个以80公里/小时的速度移动的指挥棒。但是脆性材料如何在反复的高速撞击中幸存下来,这让材料科学家感到困惑。

螳螂虾激发科学家研究更坚韧的复合材料-复合材料网

2017年,美国研究人员的理论工作表明,冲击能量通过扭曲球杆内螺旋纤维周围的微裂缝而消散,从而防止纤维断裂和灾难性损坏。这项工作由普渡大学的Pablo Zavattieri和加州大学河滨分校的David Kisailus领导- 他们的团队现在进行了计算和实验研究的结合,支持这种机制理论。他们的研究还提供了一种提高复合材料韧性的新方法。

航空航天和其他行业都热衷于开发比现有材料更具弹性和重量更轻的复合材料。设计更好的复合材料是一项挑战,因为没有理想的工具来预测这些材料的性质,缓慢的试验和错误的缓慢过程可能是成功的唯一途径。

一些科学家正在采取不同的方法,并检查从自然的试验和错误过程中出现的材料,即 - 进化。在这次搜索中,科学家们已经被螳螂虾所展示的力量所吸引。

加强纤维
俱乐部的骨架由碳酸钙和磷酸钙制成 - 这种成分预计会变脆,具有与日常陶瓷相似的特性。然而,它的强度似乎在于球杆内纤维的螺旋 - 螺旋结构。这些纤维由几丁质制成,几丁质是一种长链聚合物,常见于甲壳类和昆虫的外骨骼中。在以前的研究中,复合材料采用类似的螺旋结构设计。发现它们比传统的准各向同性复合几何形状更加坚韧,其中纤维的方向性在层之间移动45°。

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只要它们不会聚结形成一个分裂材料的大裂缝,就可以有多个微裂缝

Pablo Zavattieri
虾的强大俱乐部的进一步显微镜分析显示,在攻击猎物后出现了数百万微裂缝。然而,这些裂缝在螺旋纤维周围扭曲而不会破坏纤维本身。Zavattieri解释说:“可以有多个微裂缝,只要它们不会结合形成一个裂缝的大裂缝。”

灵感复合材料:这种3D打印材料具有螺旋结构。(礼貌:普渡大学/ Pablo Zavattieri)
利用这些观察结果,Zavattieri,Kisailus及其同事进一步研究了螺旋结构如何赋予材料强度的机制。他们提出了扭曲裂缝假设 - 暗示螺旋结构使得冲击产生的能量在螺旋微裂缝内消散,从而防止灾难性故障。

为了证明这一假设,科学家们开发了一个由辅助3D模拟支持的理论模型来检验局部应力强度因子。这证实了随着裂缝在虾的dactyl俱乐部内消散,局部应变减少。

3D打印
科学家通过结合计算和实验仿生模型进一步验证了扭曲裂缝假说。具有螺旋结构的复合材料由碳纤维和环氧基质制成,使用传统的复合工艺和3D打印。

“3D打印的优势在于,您可以根据自己的需要精确制作复合材料,不同层间的角度不同,”Zavattieri说。“当然存在一些差异,因为你印刷的纤维直径为1毫米,在本质上它是一个纳米级,但它可以让你展示出这种机制。”

将压力施加到3D打印的复合条的顶部以使它们弯曲。在螺旋形材料中,观察到所得的裂缝扭曲。相机和数字图像相关技术用于检查裂缝形状,应力分布和能量耗散机制。这些技术证实了扭曲裂纹机理并证明了它如何改善复合材料的抗断裂性。

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“他们已经将所有必需品 - 从检查天然材料的微观结构到3D打印实验 - 结合起来 - 因此清楚地证明了材料的自下而上设计,”一位希望保持匿名的材料专家说。

Zavattieri很高兴能够立即实施这项基础工作,以使用现有技术创建新的复合材料。他设想这些研究的推断将有很多应用。例如,Kisailus和Zavattieri的团队目前正在开发用于航空航天,汽车和土木工程的轻质纤维增强复合材料。

“我们开始观察到从大自然中借鉴意见是非常有益的,”Zavattieri说。