浙江大学柏浩《AM》:仿乌贼骨高机械效率多孔材料 2024-08-04 05:32:47 原创 高分子科学前沿 高分子科学前沿 今天 乌贼是一种可以在大海中自由浮潜的海洋软体动物,与天空飞翔的鸟儿一样,这是由于它们的骨也具有超轻型的多孔结构(孔隙度约93 vol%)。不同的是,乌贼骨主要由脆性的碳酸钙组成 (文石相碳酸钙含量~90 vol%)。虽然成分脆弱,但由于独特的结构特点,其具有很高的抗破坏性,并且能够承受约20个大气压的水压,保证乌贼可以下潜到400m的深海。 在此之前,美国弗吉尼亚理工大学Ling Li课题组通过互补的三维(3D)结构和四维(4D)力学分析,以及参数化力学建模,分析了墨鱼骨的结构设计。他们发现,乌贼骨与其他天然或工程多孔材料截然不同,它们具有独特的“壁-隔膜”腔状微结构,比刚度达到8.4 MN·m / kg,并且在受力时展现出4.4 kJ / kg的能量吸收能力。并且,通过模拟发现,经过长期演化,乌贼骨微结构中的“隔膜”展现出最佳的波纹度梯度,这使压缩时发生形变和不对称的壁破裂而实现高刚度和高能量吸收,并且,“隔膜”在骨骼中的合理分布,也可以减少应力集中(相关报道:吃墨鱼发了一篇顶刊《PNAS》!墨鱼骨的秘密被揭开!)。图1 乌贼骨的结构近日,浙江大学柏浩课题组通过3D打印,设计出了仿乌贼骨多孔材料,重现乌贼骨“壁-隔膜”腔状微结构。该工作近期题为“Mechanically Efficient Cellular Materials Inspired by Cuttlebone”发表在《Advanced Materials 》杂志上。通过对乌贼骨结构进行分析,作者发现非对称S型“隔膜”壁是其力学性能优越性的关键。虽然,他们利用3D打印,制备出这种非对称S形壁层状多孔材料,并与对称S形壁和直壁材料进行性能对比,研究其结构-性能构效关系。可以发现,非对称S形壁层在压缩和剪切载荷作用下具有明显的力学性能优势。更进一步,作者细化S形壁的结构参数,调控A:S形壁的振幅,以此来研究壁的对称性对力学性能的影响。结果发现,对比两类具有对称(Aupper = Alower)和非对称(Aupper≠Alower)S形壁的模型,不对称才是仿乌贼骨材料可以同时实现较高的抗压和抗剪强度的关键参数。图3 仿乌贼骨不对称S形壁力学的实验研究单轴压缩下,作者制备的仿乌贼骨材料的破坏模式与天然乌贼骨非常相似,其层状结构被逐级破坏,测试的应力-应变曲线也与天然乌贼骨相近。与桁架晶格打印材料相比,其抗压强度和弹性模量是八角形晶格结构的1.5倍和1.8倍。与泡沫多孔材料相比,本文的仿乌贼骨材料的比强度和能量吸收能力更是聚合物泡沫材料的20倍和25倍,是是金属泡沫塑料的2.5倍和3.5倍。图4 仿乌贼骨材料与其他桁架晶格材料比较图5 仿乌贼骨材料与其他夹芯板泡沫材料比较总而言之,我们可以看出,通过模拟乌贼骨的层状、波浪壁结构,调控其中关键的波浪壁的对称性,可以构筑出轻质、高强并且具有高能量吸收能力的新型结构材料,该材料将在航空航天、建筑构造、植入医疗器械等多个领域找到广泛应用前景。 来源:高分子科学前沿声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正! 赞 (0) 相关推荐 《Science》一种在非欧几里得表面上的二维螺位错生长模型! 欧几里德几何是经典晶体学的基本数学框架.通常,层状材料生长在平坦的基底上:而在非欧几里得表面上生长的欧几里得晶体研究很少.近日,来自美国威斯康辛大学麦迪逊分校的金松等研究者报道了,提出了一个描述非欧几 ... 南京大学:“钉扎效应”助力零应变钠离子电池层状正极材料|能源学人 [研究背景] 钠离子电池被广泛认为是大规模储能的有利候选者.作为钠离子电池重要的组成部分,正极占据了整个电池约三分之一的成本,同时决定着整个电池的输出电压.容量和安全性.在众多的钠离子电池正极材料中, ... 陈根:未止步的超材料,可编程的机械未来 文/陈根 超材料,作为一种非自然生成的材料,其机械性能源于结构设计,而非化学成分.研究人员可以利用超材料制造出具有特定属性和形状的结构.在过去的20年中,科学家们一直在致力于超材料的开发. 传统的力学 ... 动物外骨骼“矛”和“盾”中优化的多层结构和力学、化学梯度 合肥讯 生物界中存在许多梯度结构设计的攻击与防御"工具".这些梯度材料为我们提供了多个仿生材料设计原理.近期,中国科学技术大学中科院材料力学行为与设计重点实验室骆天治教授团 ... 南科大任富增团队在骨科植入材料领域取得系列研究进展 近期,南方科技大学材料科学与工程系副教授任富增课题组在生物医用骨科植入材料方面取得一系列研究进展,在国际知名期刊连续发表5篇论文. 由于人口老龄化.意外事故及骨组织疾病等原因,每年有不计其数的骨受损患 ... 上海交大:通过能量交换和形状记忆研究单一材料可逆多重变形 与其他可编程结构相比,形状记忆聚合物(SMPS)热触发活性超材料具有更大的可再配置性,因为其具有形状锁定的暂时性条件.然而,由于缺乏合适的策略和合理的力学模型,大多数基于SMP的活性超材料并没有表现出 ... 科学家受虾蟹结构启发制备高强高韧仿生材料 来源:中国科学报2021-05-14 08:54 中国科学技术大学教授骆天治团队与武汉大学副教授王正直.教授张作启合作,研究了具有防御功能的螳螂虾尾刺(矛)和寄居蟹左螯(盾),综合利用多种实验手段揭示 ... 重磅《Nature Materials》:厘米级无裂纹!高强轻质金属纳米结构 导读:本文报道一种无裂纹厘米尺度的多功能金属纳米晶格,可以进行宏观拉伸测试.在1.12%应变下抗拉强度为257 MPa,密度为2.67 g cm-3,是相同相对密度下最强多孔金属强度的2.6倍,体积比 ... 新型高温高熵合金材料研究进展 近10年来出现的高温高熵合金,具有高强度.高硬度.高耐磨性.耐高温性.耐腐蚀性等性能特点,在推动高温防护领域的材料科学创新发展与工程化应用方面具有重要意义,应用前景广阔. 本文综合阐述了高温高熵合金材 ... 3D打印技术新突破,登上《科学》 科技日报记者 金凤 传统的3D打印往往要先设计结构,再选择材料,确定加工工艺,最终打印成形,但因材料.结构和工艺等多因素耦合规律复杂,3D打印的零部件想精确成形需反复试错,想实现金属构件的高性能甚至多 ...