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研究发现cut骨的微观结构轻巧 坚硬且耐损伤

李玲(Ling Li)在其机械工程课程中有一门课程是关于脆性材料(如碳酸钙)在压力下的行为。在其中,他拿起一支由混合物组成的粉笔,并将其折成两半,向学生展示了其中一个碎片的边缘。休息时间直截了当。

然后,他扭曲了第二块,这导致以45度角断裂的更锋利的碎片,表明粉笔上拉应力的方向更加危险。破碎的白垩有助于Li证明脆性碳酸钙在法向力下会做什么:它趋于破裂。

李肇星说:“如果弯曲它,它将断裂。”

在李的生物和生物启发材料实验室中,他研究过的许多海洋生物的生物结构材料都含有碳酸钙。李说,某些软体动物将其用于光子晶体中,从而形成生动的色彩显示,“就像蝴蝶的翅膀”。其他人的贝壳中则装有矿物眼。李对这些动物的研究越多,他对它们的身体对于固有的脆性和脆性材料的用途的惊讶就越大。特别是当使用克服了这种脆弱性时。

在美国国家科学院院刊上发表的一项研究中,李的研究团队将目光投向了墨鱼,墨鱼是另一只用粉笔建造的富有创造力的动物,也是海底旅行者。

研究人员研究了软体动物的高度多孔的内壳-cut骨的内部微观结构,发现该微观结构独特的,有腔的“壁隔”设计优化了cut骨,使其极为轻便,坚硬且耐损伤。尽管壳的成分主要是脆性文石(碳酸钙的一种结晶形式),但他们的研究仍针对使硬骨具有这些高性能机械性能的基本材料设计策略。

在海洋中,墨鱼使用墨鱼骨作为硬质浮力箱,以控制其在水柱上的上下运动,其深度可低至600米。动物会调节该水箱中的气体与水的比例,使其向上或向下浮动。为了达到这个目的,外壳必须轻巧且多孔,以进行有效的流体交换,同时又要足够坚硬,以保护墨鱼的身体在深潜时不受强水压的影响。当cut骨确实被压力或掠食者的咬伤压碎时,它必须能够吸收大量能量。这样,损伤就留在了壳的局部区域,而不是粉碎了整个骨刺。

Li的团队在检查壳的内部微观结构时发现,需要平衡所有这些功能,才使cut骨如此独特。

博士 学生和研究的合著者Ting Yang使用基于同步加速器的微型计算机断层扫描来表征3D中的cut骨微结构,并使用来自Argonne国家实验室的强大X射线束穿透外壳,以生成高分辨率图像。她和研究小组通过在机械测试中采用原位层析成像方法观察了壳体被压缩后微观结构的变化。他们将这些步骤与数字图像相关性相结合,从而可以进行逐帧图像比较,他们研究了荷载作用下cut骨的完整变形和断裂过程。

他们的实验揭示了更多有关cut骨腔室“壁隔”微结构及其优化重量,刚度和损伤耐受性的设计的信息。

该设计将cut骨分隔成单独的小室,这些小室的地板和天花板(或“ septa”)由垂直的“墙”支撑。其他动物(如鸟类)也具有类似的结构,称为“三明治”结构。该结构在另一层之上有一层致密的骨头,并且中间有垂直的支撑柱,使结构轻巧而坚固。但是,与三明治结构不同的是,s骨的微观结构有多层-这些腔室-它们由波浪形的壁而不是直的支柱支撑。波纹度以“波纹度梯度”从地板到天花板沿着每一壁增加。

“我们至少在其他模型中还没有看到确切的形态,”李说。这种壁隔设计可让cut骨控制外壳中损坏的位置和方式。它允许出现优美的故障,而不是造成灾难性的故障:被压缩时,腔室会逐渐而不是瞬时地逐个失效。

研究人员发现,cut骨的波浪形墙壁诱发或控制了在墙壁中间而不是地板或天花板上形成的裂缝,这将导致整个结构坍塌。当一个腔室发生壁破裂和随后的致密化时-破裂的壁在损坏的腔室中逐渐致密-相邻腔室保持完整,直到破裂的碎片穿透其地板和天花板为止。Li解释说,在此过程中,可以吸收大量的机械能,从而限制了外部冲击。

Li的团队进一步通过计算建模探索了cut骨微结构的高性能潜力。使用早期3D层析成像技术对微观结构进行测量后,博士后研究员Zian Jia建立了一个参数化模型,进行了虚拟测试,该测试改变了结构壁的波纹度,并观察了壳的性能。

李肇星说:“我们知道,cut骨上有这些波浪形的墙壁,且带有梯度。” “ Zian改变了梯度,因此我们可以了解如果超出了这种形态,就可以了解behave骨的行为。它是否更好?我们证明了tle骨位于最佳位置。如果波纹度太大,结构就不会那么僵硬。如果波浪变得更小,结构变得更脆。空心骨似乎找到了一个平衡点,以平衡刚度和能量吸收。”

Li看到了硬质合金的微结构设计在陶瓷泡沫中的应用。在包装,运输和基础设施中用于抗压碎或吸收能量的泡沫中,聚合物和金属材料是更受欢迎的选择。李说,陶瓷泡沫很少使用,因为它们很脆。但是陶瓷有其独特的优势-它们在化学上更稳定并且熔化温度高。

李认为,如果将角叉骨的特性应用于陶瓷泡沫,则其耐高温的能力与新发现的破坏耐受力将使陶瓷泡沫成为航天飞机的热保护装置或一般热保护的理想选择。他的团队一直在单独的研究中评估该应用程序。

尽管该团队已经开始从海面向天空仰望卡特伯尔激发灵感的可能性,但他们对壳的基本设计策略的研究对Li同样重要。

李说:“自然制造了很多结构材料。” “与金属不同,这些材料是在室温和规则的大气压下制成的,与金属不同,金属可能会对生产环境造成不利影响-您需要对金属使用高温和折射工艺。

“我们对生物结构材料和工程结构材料之间的这种差异感到着迷。我们能否在两者之间架起桥梁并提供有关制造新结构材料的见解?”

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