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  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。自然界中，“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現(xiàn)象就是一場典型的生存戰(zhàn)爭。研究表明，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)？

  近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授、何陵輝教授研究團(tuán)隊受自然界“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現(xiàn)象啟發(fā)，將螳螂蝦內(nèi)的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與貝殼內(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)（DFB）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)研究成果以“Discontinuous fibrous Bouligand architecture enabling formidable fracture resistance with crack orientation insensitivity”為題，于2020年6月22日發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。

圖1. DFB復(fù)合材料的3D打印設(shè)計及力學(xué)測試

  該團(tuán)隊首先利用3D打印技術(shù)構(gòu)建DFB結(jié)構(gòu)的單邊缺口試樣，系統(tǒng)的彎曲斷裂實驗表明，DFB結(jié)構(gòu)相比于單向纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)、正交纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出對初始裂紋取向不敏感的高斷裂韌性（圖1）；進(jìn)一步觀測發(fā)現(xiàn)，DFB結(jié)構(gòu)斷面失效模式包括裂紋扭轉(zhuǎn)區(qū)和纖維橋聯(lián)區(qū)；DFB結(jié)構(gòu)中存在最優(yōu)斷裂耗能對應(yīng)的臨界螺旋角和纖維尺寸效應(yīng)（圖2）。

圖2. DFB結(jié)構(gòu)中最大斷裂耗能對應(yīng)的臨界螺旋角及纖維尺寸效應(yīng)

  進(jìn)一步，研究團(tuán)隊發(fā)展考慮裂紋扭轉(zhuǎn)和纖維橋聯(lián)協(xié)同增韌的斷裂力學(xué)模型，揭示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；在臨界螺旋角下，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（圖3）。

圖3. 斷裂力學(xué)分析DFB結(jié)構(gòu)中裂紋取向不敏感性及臨界螺旋角存在的力學(xué)機(jī)理

  最后，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)，可以設(shè)計DFB結(jié)構(gòu)的失效模式，實現(xiàn)適應(yīng)各方向載荷的高韌性纖維復(fù)合材料的制造（圖4）。

圖4. 高韌性DFB復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計策略

  該工作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。

  論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系吳開金博士，通訊作者為倪勇教授。合作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授、俞書宏院士、加州大學(xué)圣地亞哥分校蔡盛強(qiáng)教授。本研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、中國科大人才培養(yǎng)計劃、創(chuàng)新團(tuán)隊培育項目等的支持。

  原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/06/19/2000639117