螳螂蝦帶來“螺旋”復合材料新靈感
螳螂蝦常用它們爪子上的錘狀物來破開獵物的殼。如今,研究人員從螳螂蝦上得到靈感,開發出了一種超強的碳纖維-環氧樹脂復合材料。
諸如貝殼等的天然復合材料作為材料設計的雛形,受到了相當多的關注。南加州大學的David Kisailus和來自加州大學河濱分校、布魯克海文實驗室、普渡大學等的同事們把目光投向了螳螂蝦,螳螂蝦能夠輕易地穿透獵物的硬殼。[L.K. Grunenfelder, et al., Acta Biomaterialia (2014), DOI: 10.1016/j.actbio.2014.03.022]
口足目動物嚴重礦化的趾可以承受反復的沖擊,它們的趾是由羥基磷灰石基體包含甲殼胺纖維而組成的。其強度來源于這樣的一個事實:每一層甲殼胺纖維都相對下一層旋轉了一個小的角度,從而形成了所謂的“螺旋”復合材料。

Kisailus和他的研究小組模仿這種結構,用三個不同的旋轉角度(7.8°、16.3°和25.7°),制備出了三種具有不同螺旋結構的碳纖維環氧樹脂復合材料,并將這些復合材料與纖維平行(單向)排列的普通復合材料或取向呈0°、±45°和90°不同角度排列(準各向同性結構)的復合材料相比較。“落錘”測試結果顯示,單向的和準各向同性復合材料出現了災難性的失效。而螺旋復合材料上的凹痕則要小得多,比之普通結構的復合材料要淺大約49%。在后續的壓縮試驗中,中角度和大角度螺旋復合材料的剩余強度比準各向同性結構復合材料要高15-20%。
研究人員認為,上述優異力學性能的關鍵在于螺旋結構能夠在礦化纖維之間傳播裂痕,而非破壞裂痕。螺旋結構可以通過裂紋轉向或阻止裂紋擴展到表面上,來耗散高能沖擊所帶來的能量。這種仿生結構同時也可以避免不同纖維層之間的角度不匹配問題,進而降低層間剪切應力。
雖然所有的螺旋結構都表現出了較小的沖擊破壞,但角度小的螺旋樣品其剩余強度低。研究人員認為,這應該歸因于實驗的局限性,事實上,小角度的螺旋結構有著佳的能量吸收性能。
Kisailus說:“上有無數的物種,它們可以為我們設計用于輕型汽車、飛機和其他結構應用中的下一代先進材料,提供各式各樣的新思路、新路線。”
更多信息請關注復合材料信息網http://m.lzzz.net
諸如貝殼等的天然復合材料作為材料設計的雛形,受到了相當多的關注。南加州大學的David Kisailus和來自加州大學河濱分校、布魯克海文實驗室、普渡大學等的同事們把目光投向了螳螂蝦,螳螂蝦能夠輕易地穿透獵物的硬殼。[L.K. Grunenfelder, et al., Acta Biomaterialia (2014), DOI: 10.1016/j.actbio.2014.03.022]
口足目動物嚴重礦化的趾可以承受反復的沖擊,它們的趾是由羥基磷灰石基體包含甲殼胺纖維而組成的。其強度來源于這樣的一個事實:每一層甲殼胺纖維都相對下一層旋轉了一個小的角度,從而形成了所謂的“螺旋”復合材料。

Kisailus和他的研究小組模仿這種結構,用三個不同的旋轉角度(7.8°、16.3°和25.7°),制備出了三種具有不同螺旋結構的碳纖維環氧樹脂復合材料,并將這些復合材料與纖維平行(單向)排列的普通復合材料或取向呈0°、±45°和90°不同角度排列(準各向同性結構)的復合材料相比較。“落錘”測試結果顯示,單向的和準各向同性復合材料出現了災難性的失效。而螺旋復合材料上的凹痕則要小得多,比之普通結構的復合材料要淺大約49%。在后續的壓縮試驗中,中角度和大角度螺旋復合材料的剩余強度比準各向同性結構復合材料要高15-20%。
研究人員認為,上述優異力學性能的關鍵在于螺旋結構能夠在礦化纖維之間傳播裂痕,而非破壞裂痕。螺旋結構可以通過裂紋轉向或阻止裂紋擴展到表面上,來耗散高能沖擊所帶來的能量。這種仿生結構同時也可以避免不同纖維層之間的角度不匹配問題,進而降低層間剪切應力。
雖然所有的螺旋結構都表現出了較小的沖擊破壞,但角度小的螺旋樣品其剩余強度低。研究人員認為,這應該歸因于實驗的局限性,事實上,小角度的螺旋結構有著佳的能量吸收性能。
Kisailus說:“上有無數的物種,它們可以為我們設計用于輕型汽車、飛機和其他結構應用中的下一代先進材料,提供各式各樣的新思路、新路線。”
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