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受海洋生物启发!科学家开发出更坚固的3D打印复合材料

导读: 两年前,普渡大学的研究人员受七彩螳螂虾的启发开发出了一种新型的具有超强性能的3D打印材料。近日,研究人员与加利福尼亚大学河滨分校合作,旨在开发出一类新型具有超韧性能的材料。

两年前,普渡大学的研究人员受七彩螳螂虾的启发开发出了一种新型的具有超强性能的3D打印材料。近日,研究人员与加利福尼亚大学河滨分校合作,旨在开发出一类新型具有超韧性能的材料。

七彩螳螂虾可以轻松的击败甚至粉碎其它装甲猎物(主要是软体动物和螃蟹),这些猎物的耐损伤性和优异的机械性能也是众所周知的。但是七彩螳螂虾可以像.22口径子弹一样快速地击打,并且拥有令人难以置信的力量。

研究发现,许多海洋甲壳动物壳和昆虫外骨骼中都含有纤维物质,并且排列成类螺旋状楼梯的螺旋结构。“这种机制以前从未被详细研究过”Zavattieri说。“我们发现,随着裂纹的发展,裂纹扩展的驱动力逐渐减小,促进了其他类似机制的形成,从而防止材料突然崩溃。我认为我们终于可以解释为什么材料如此强硬。“在实验方面,我们使用现有的材料验证了这一理论的复合材料。”

普渡大学博士生Nobphadon Suksangpanya;加州大学河滨分校的博士生Nicholas A. Yaraghi;加州大学河滨分校化学与环境工程与材料科学与工程教授David Kisailus;Zavattieri在“生物医学材料力学行为杂志”和“国际固体与结构杂志”杂志上发表了两篇关于他们精彩作品的论文。

之前的研究发现,螺旋结构的设计可以承受重复的高速冲击。当裂纹形成时,他们遵循扭曲模式,而不是直接在结构上扩散,导致断裂。加州大学河滨分校的电子显微镜拍摄的图像显示,当材料遭受冲击时,它不会形成单个裂纹继续传播,而会形成许多较小的裂缝,吸收并消散材料遭受撞击时的能量。研究人员创建并测试了以这种行为为模型的3D打印复合材料,利用相机和数字图像相关技术捕获裂纹行为,以研究材料变形形态。

Zavattieri说:“我们正在建立复合材料的新机制。传统上,当我们生产复合材料时,我们将纤维放在一起,但这并不是最好的,而大自然正在教会我们应该如何去做。这些发现可以帮助我们开发出更轻、更坚固和更坚韧的材料,用于包括航空航天、汽车和体育在内的许多应用。”

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