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仿生墨鱼骨:轻质坚固的碳酸钙陶瓷多孔材料

        陶瓷多孔固体材料或泡沫由于其轻质且有一定的机械性能,而成为包装、运输和基础设施的重要结构材料。当前的多孔结构材料主要由金属或聚合材料制成,但这些材料缺乏有效的抗破坏性能,而陶瓷具有更高的比刚度、强度、能量吸收性能。然而,限制陶瓷多孔固体材料作为结构材料的是它们的脆性和缺陷敏感性。因此,克服多孔陶瓷的脆性,使其更轻巧,同时达到更高的刚度、强度和能量吸收率,是具有挑战性的,但对许多应用而言却至关重要。墨鱼是一种独特的海洋软体动物,与大多数身体外部覆盖有硬壳以进行保护的软体动物不同,墨鱼的“壳体”是在内部,而且其结构高度多孔(孔隙度约为93 vol%),起到墨鱼在海洋中的浮力调控作用。墨鱼骨是由> 90%的文石(CaCO3)构成的坚硬结构。尽管大多数墨鱼生活在浅水区,但某些物种栖息在600 m的深处。为此,墨鱼骨必须质轻且多孔,以便进行积极的流体交换,同时还需要足够坚硬以保证墨鱼在深潜时能承受住水压。一旦墨鱼骨因为水压或捕食者的攻击而受损时,它还需要能够吸收大部分能量,从而损害限制在局部区域,不至于影响整个骨架。因此,了解墨鱼骨如何同时满足较高的比刚度和轻量化,可以为提高材料的损伤耐受性提供新的见解。研究人员已尝试模仿墨鱼骨的几何形状,但由于对其结构设计和变形机制的不完全了解,未能开发出可与其相比的陶瓷多孔材料。
        在近期一篇发表于《PNAS》的文章中,美国弗吉尼亚理工大学研究人员通过互补的三维(3D)结构重建和四维(4D)力学分析,以及参数化力学建模来构建墨鱼骨的结构。结合基于原位同步加速器的微型计算机断层扫描技术和机械测试,该研究可视化和量化了墨鱼骨的详细破坏过程。通过研究墨鱼骨高度多孔的内部微结构,该团队发现墨鱼骨具有独特的、分腔室的“墙-隔板”(wall-septa)设计。研究证明,在有腔的墨鱼骨微结构中的垂直壁已经演化出最佳的波纹度梯度,这导致了压缩为主的变形和不对称的壁破裂,从而实现了高刚度和高能量吸收。此外,发现壁的特殊分布能减少水平隔壁内的应力集中,促进了腔室的压碎应力和更显着的致密化过程。这种“壁-隔板”微结构克服了墨鱼骨固有的脆性,使其坚硬而且耐损伤,这可能会激发轻质陶瓷多孔材料的发展。
       该研究团队分析建立了墨鱼骨的宏观响应与其微观结构之间的关系,并揭示了墨鱼骨同时平衡轻质、高刚度和高能量吸收特性。该研究揭示的设计策略可以为开发低密度、坚硬和耐破坏的工程多孔陶瓷材料提供重要的经验。(来源:QYIM & AMSC YQ NIU编报)

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