本报讯（记者 杨凡 通讯员 桂运安）受自然界“螳螂虾锤击贝壳”的捕食现象启发，中国科学技术大学教授倪勇、何陵辉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，设计了一种具有高断裂韧性、对裂纹取向不敏感的非连续纤维扭转复合结构，提出了裂纹取向不敏感、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。日前相关成果发表于美国《国家科学院院刊》。
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，则通过砖块滑移促进裂纹桥联增韧。这两种微结构是高韧性生物材料的代表性结构。
调控微结构是结构材料获得超常力学性能的重要途径。该研究团队将“扭转”结构与“砖泥”交错结构组合，利用3D打印技术设计了一种非连续纤维扭转（DFB）复合结构。实验表明，DFB复合结构的断裂耗能对初始裂纹取向不敏感，同时在临界螺旋角下断裂耗能最优。
断裂力学分析表明，对裂纹取向不敏感的高断裂韧性，源于DFB结构中裂纹偏转和桥联协同的混合增韧机制；临界螺旋角、裂纹偏转和桥联模式间的协同实现最优断裂耗能；通过调控螺旋角、纤维长度、扭转角分布和桥联韧性参数，可实现适应各方向载荷的高韧性纤维复合结构设计。
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制备提供了新的仿生设计思路。
相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2000639117
《中国科学报》 (2020-06-30 第1版 要闻)
