力学仿生 中国科大提出新仿生力学设计方案

复合材料的3D打印设计和力学测试。照片由中国科技大学提供

受生物学中“矛”和“盾”的生存启发，中国科技大学提出了一种新的仿生力学设计方案

新华社合肥6月24日电受捕食者与猎物的生存战争启发，中国科学技术大学研究团队与合作者提出了高韧性微结构的力学设计方案，为制备高性能先进复合材料提供了新的仿生结构设计思路。

相关研究成果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

记者24日从中国科学技术大学获悉，受自然界“螳螂虾锤壳”捕食现象的启发，该校倪勇教授和何教授的研究团队和合作者将螳螂虾体内的扭转结构与壳珍珠层内的“砖泥”交错结构相结合。利用三维打印技术，设计了一种具有高断裂韧性和对裂纹取向不敏感的不连续纤维扭转复合材料结构，并提出了一种揭示对裂纹取向和裂纹不敏感的断裂力学模型

自然界中，捕食者螳螂虾体内的扭转结构可以促进裂纹偏转和增韧，猎物壳内的“砖泥”交错结构可以通过砖滑促进裂纹桥接和增韧，两者都是具有代表性的高韧性生物材料结构。在这场生存的战争中，为什么矛通常会战胜盾？

为了解决上述问题，研究团队通过3D打印设计了一种不连续纤维扭转复合结构。系统断裂实验表明，该结构优异的断裂能耗对初始裂纹取向不敏感。通过调整螺旋角、纤维长度、扭转角分布和桥接韧性参数，可以实现高韧性纤维复合材料结构的设计。

据报道，这项工作不仅揭示了生物材料优异断裂韧性的微观结构根源，而且为高性能先进复合材料的制备提供了一种新的仿生结构设计思路和性能优化的参数选择原则。