中国科大提出新仿生力学设计方案

复合材料的3D打印设计及力学测试。中国科大 供图

受生物界“矛”“盾”式生存启发 中国科大提出新仿生力学设计方案

中新网合肥6月24日电 (记者 吴兰)受生物界“矛”与“盾”式的捕食者与被捕食者之间的生存战启发，中国科学技术大学研究团队与合作者提出一种高韧性微结构力学设计方案，为高性能先进复合材料的制备提供了新的仿生结构设计思路。

相关研究成果近日发表在《美国科学院院刊》上。

记者24日从中国科学技术大学获悉，受自然界“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象启发，该校倪勇教授、何陵辉教授研究团队与合作者，将螳螂虾内的扭转结构与贝壳珍珠层内的“砖泥”交错结构相结合，利用3D打印技术，设计了一种高断裂韧性和对裂纹取向不敏感的非连续纤维扭转复合结构，并提出断裂力学模型，揭示了裂纹取向不敏感、裂纹扭转和纤维桥联协同的增韧机制，给出了具有最优断裂韧性的此类复合材料结构的参数化设计策略。

自然界中，捕食者螳螂虾(“矛”)内的扭转结构可促使裂纹偏转增韧，被捕食者贝壳(“盾”)内的“砖泥”交错构型通过砖块滑移，促进裂纹桥联增韧，两者都是代表性高韧性生物材料结构。在这场生存战争中，为什么“矛”通常会战胜“盾”？

针对上述问题，研究团队3D打印设计了一种非连续纤维扭转复合结构，系统的断裂实验表明，该结构优异的断裂耗能对初始裂纹取向不敏感。通过调控螺旋角、纤维长度、扭转角分布和桥联韧性参数，可以实现适应各方向载荷的高韧性纤维复合结构设计。

据介绍，该工作不仅揭示了生物材料优异断裂韧性的一种微结构起源，也为高性能先进复合材料的制备提供了新的仿生结构设计思路和性能优化的参数选择原理。