香港大学《JMPS》：受皇后海螺壳启发的异质结构力学超材料

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。

皇后海螺的微观结构图展示了其内部的交叉层状结构。其整体结构由一个 0o- 90o - 0o的片层组成，每一层又由方向为 +/-45o 的更小的子层组成，而每个子层都是更小的子层的集合体，最终这些子层又是单个文石晶体的集合体。因此，其内部多级结构包含了从几十纳米到几厘米的四个不同尺度的特征结构。受此结构启发设计的异质结构超材料也具有从基本元胞单元延伸到薄片，再到板、层，最后到体的多级结构。具有不同交叉片层取向的片层在结构中交替排列，创造了一种将整体周期性与区域特异性相结合的新构型。这与通常具有均匀内部结构的传统点阵超材料有很大不同。这种片层间的旋转模拟了交叉层状结构，这是剪切带抑制的关键特征

实验人员建立了七种不同的异质结构超材料构型，利用摩方精密研发的面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10 μm），实现了超材料样品的高分辨制备。根据实验结果显示，交叉层状设计的生物启发超材料在压缩试验中表现出显著的力学性能提升。例如，Hex（六层）样品在力学性能方面相比于Mono样品有显著改善；其模量、屈服强度、流动应力（在30%应变时）和比能量吸收分别提高了64%、25.9%、35.8%和36.4%。这些实验结果显示，交叉层状设计的超材料在压缩试验中表现出显著的力学性能提升，其中对于内部剪切带的间隔分布和空间域限制是实现这些性能提升的关键。通过引入无量纲化参数无量纲化参数1/√（h/L）进一步对描述这种力学性能的提升（其中L为样品的特征长度，即样品在原位压缩实验中的标距；h为样品最大单层厚度），发现了该无量纲化参数与弹性模量、屈服强度、流动应力和韧性之间的线性相关性。这些参数的关联性表明了设计的交叉层状微结构对于生物启发材料的力学性能提升起到了重要作用

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。

随后，作者对超材料进行了系统的实验与有限元仿真（FEM）对比研究。随着交错层数的增加，超材料内部的剪切带数量显著增加且分布更加均匀。具有不同方向的结构交替排列有效地约束了各层级结构内的剪切带，这些交叉片层和异质排列对剪切带的限制增强了超材料的力学性能，体现为强度和韧性的增加。这种自增强响应不以提高结构的相对密度为代价。数字图像相关分析进一步验证了交叉片层和异质排列带来了大量受控于有限空间域的剪切带。这些结果表明，交叉片层和异质排列可以带来屈服强度、流动应力、弹性模量和韧性的显著提高

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。

该项成果获得了香港研究资助局项目，四川省科学技术厅项目，香港创新科技署项目及休斯顿大学Thomas and Laura Hsu教授席经费支持，以“Heterostructured mechanical metamaterials inspired by the shell of Strombus gigas”为题发表于固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105658

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