软体动物的壳尽管高度矿化,仍展现出卓越的强度和韧性,这得益于其结构设计能有效控制裂缝及其他类型的局部变形(如剪切带)的扩展。以皇后海螺为例,其壳内部的交叉层状结构由四个不同层级的层状特征组成,并以三维排列方式组装,使其因卓越的强度和韧性而闻名。基于皇后海螺壳的几何设计原理,改良后的超材料有望规避强度-传导性和强度-密度之间的典型权衡。受皇后海螺壳交叉层状微结构的三维分层和交互式结构概念的启发,研究人员设计了一种新型的生物启发力学超材料。这种创新设计允许采用一种优美的失效机制,即允许出现大量受控剪切带并将其限制在有限的空间域内,从而大大增强了超材料的机械完整性和整体的应变均匀性。这些结果为设计强韧的超材料提供了新的视角。
图1.交叉层状结构示意图。(a)生物启发交叉层状设计示意图。(b)皇后海螺样品的电镜图。(c)皇后海螺壳的五级分层结构。(d) 生物启发超材料的五级分层结构。比例尺从上到下分别为50μm、25μm和200nm。
图2.具有不同结构离散性的生物启发超材料的剪切带分布。(a)五种具有想等分层厚度的生物启发超材料的结构示意图。(b)Mono样品在两个给定应变下的原位变形和相应的数字图像相关(DIC)结果。(c)Tri样品在两个给定应变下的原位变形和相应的DIC结果。(d)Hex样品在两个给定应变下的原位变形和相应的DIC结果。比例尺为5mm。
图3. 生物启发超材料的模拟结果。(a)在两个给定应变下,Bi和Quad样品的原位变形行为和最长单剪切带以及相应的模拟结果。(b)Tri样品的原位变形行为和相应的模拟结果。(c)Tri样品截取部分的模拟结果。(d)截取部分的位置示意图。(e)板间区域和板间单元的模拟结果。(f)层间部分的模拟结果。(g)元胞间部分的模拟结果。比例尺为5mm。
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