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)控材料微結構是結構材料獲取超常力學性能的重要途徑。受自然界“螳螂蝦錘擊貝殼”的捕食現(xiàn)象啟發(fā)，中國科學技術大學倪勇教授、何陵輝教授研究團隊與合作者將螳螂蝦內(nèi)的扭轉(zhuǎn)結構與貝殼珍珠層內(nèi)的“磚泥”交錯結構相結合，利用3D打印技術設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)復合結構，并提出斷裂力學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)同的增韌機制，給出了具有最優(yōu)斷裂韌性的此類復合材料結構的參數(shù)化設計策略。相關研究成果6月22發(fā)表在《美國科學院院刊》上。

自然界中，捕食者螳螂蝦（“矛”）內(nèi)的扭轉(zhuǎn)結構可促使裂紋偏轉(zhuǎn)增韌，被捕食者貝殼（“盾”）內(nèi)的“磚泥”交錯構型通過磚塊滑移促進裂紋橋聯(lián)增韌，兩者都是代表性高韌性生物材料結構。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)結構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構增韌策略應用于高韌性復合材料的研發(fā)？

針對上述問題，研究團隊將扭轉(zhuǎn)結構和“磚泥”交錯結構組合，3D打印設計了一種非連續(xù)纖維扭轉(zhuǎn)（DFB）復合結構，系統(tǒng)的斷裂實驗表明，該結構優(yōu)異的斷裂耗能對初始裂紋取向不敏感，同時在臨界螺旋角下斷裂耗能最優(yōu)。斷裂力學分析表明，對裂紋取向不敏感的高斷裂韌性起源于DFB結構中的裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)協(xié)同的混合增韌機制；存在臨界螺旋角，裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)模式間的協(xié)同導致最優(yōu)斷裂耗能。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)，可以實現(xiàn)適應各方向載荷的高韌性纖維復合結構設計。

該這項成果不僅揭示了生物材料優(yōu)異斷裂韌性的一種微結構起源，也為高性能先進復合材料的制備提供了新的仿生結構設計思路和性能優(yōu)化的參數(shù)選擇原理。