香(xiang)港大學《JMPS》：受(shou)皇後(hou)海螺殼啟(qi)發(fa)的異(yi)質(zhi)結構(gou)力(li)學超(chao)材料

軟體(ti)動物(wu)的(de)殼盡管(guan)高(gao)度(du)礦(kuang)化，仍(reng)展(zhan)現(xian)出(chu)良好的強(qiang)度和韌(ren)性，這得益(yi)於(yu)其結構(gou)設(she)計能有(you)效(xiao)控(kong)制(zhi)裂縫(feng)及其他(ta)類型的局(ju)部(bu)變形(xing)（如剪切(qie)帶(dai)）的(de)擴(kuo)展(zhan)。以皇後(hou)海螺為例，其(qi)殼內部(bu)的交叉層(ceng)狀結構(gou)由(you)四(si)個不同(tong)層級的層(ceng)狀特(te)征(zheng)組(zu)成(cheng)，並以三(san)維(wei)排(pai)列方式(shi)組(zu)裝，使(shi)其因良好的強(qiang)度和韌(ren)性而聞(wen)名(ming)。基於(yu)皇後(hou)海螺殼的(de)幾何(he)設(she)計(ji)原(yuan)理(li)，改良後(hou)的(de)超(chao)材料有望規避(bi)強(qiang)度-傳(chuan)導(dao)性(xing)和強(qiang)度-密(mi)度(du)之(zhi)間的(de)典(dian)型權(quan)衡。受(shou)皇後(hou)海螺殼交(jiao)叉層(ceng)狀微結構(gou)的(de)三維(wei)分層和交(jiao)互式(shi)結構(gou)概(gai)念(nian)的啟發(fa)，研究人員設(she)計(ji)了壹種(zhong)新型的生(sheng)物(wu)啟(qi)發(fa)力(li)學超(chao)材料。這種創新設計(ji)允許(xu)采用壹(yi)種(zhong)優(you)美(mei)的(de)失(shi)效(xiao)機制(zhi)，即(ji)允許出(chu)現(xian)大量(liang)受(shou)控(kong)剪切(qie)帶(dai)並將其(qi)限(xian)制(zhi)在(zai)有限(xian)的空間域內，從而大大增強(qiang)了超(chao)材料的機械完(wan)整(zheng)性和整(zheng)體的(de)應變均勻性(xing)。這些結果(guo)為(wei)設計(ji)強(qiang)韌(ren)的超(chao)材料提(ti)供(gong)了(le)新的視(shi)角(jiao)。

圖1.交(jiao)叉層(ceng)狀結構(gou)示(shi)意(yi)圖。(a)生(sheng)物(wu)啟(qi)發(fa)交(jiao)叉層(ceng)狀設計示(shi)意(yi)圖。(b)皇後(hou)海螺樣品的(de)電(dian)鏡(jing)圖。(c)皇後(hou)海螺殼的(de)五(wu)級分層結構(gou)。(d) 生(sheng)物(wu)啟(qi)發(fa)超(chao)材料的五級分層結構(gou)。比(bi)例尺(chi)從上到(dao)下分別為50μm、25μm和200nm。

皇後(hou)海螺的微(wei)觀(guan)結構(gou)圖展(zhan)示(shi)了(le)其(qi)內部(bu)的交叉層(ceng)狀結構(gou)。其(qi)整體結構(gou)由(you)壹個 0o- 90o - 0o的片層(ceng)組(zu)成(cheng)，每(mei)壹層(ceng)又由(you)方向為 +/-45o 的(de)更(geng)小(xiao)的子層組(zu)成(cheng)，而每(mei)個子層都(dou)是更(geng)小(xiao)的子層的(de)集(ji)合(he)體(ti)，最終(zhong)這些子層又(you)是單(dan)個文石(shi)晶體(ti)的集(ji)合(he)體(ti)。因此(ci)，其(qi)內部(bu)多(duo)級結構(gou)包(bao)含了從幾十(shi)納米到(dao)幾厘米的四(si)個不同(tong)尺(chi)度的(de)特征結構(gou)。受(shou)此(ci)結構(gou)啟(qi)發設計(ji)的異(yi)質(zhi)結構(gou)超(chao)材料也具有從基本元胞(bao)單元(yuan)延伸到(dao)薄片，再(zai)到(dao)板(ban)、層，最後(hou)到(dao)體的多(duo)級結構(gou)。具(ju)有不同(tong)交叉片層(ceng)取(qu)向(xiang)的片層(ceng)在(zai)結構(gou)中(zhong)交替排(pai)列(lie)，創造了壹種(zhong)將整(zheng)體周期性與(yu)區(qu)域特(te)異(yi)性(xing)相(xiang)結合(he)的(de)新構(gou)型。這與通常(chang)具有(you)均勻內部(bu)結構(gou)的(de)傳(chuan)統(tong)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料有很大不(bu)同。這種片層(ceng)間(jian)的(de)旋轉模擬了交叉層(ceng)狀結構(gou)，這是剪(jian)切(qie)帶(dai)抑(yi)制(zhi)的(de)關鍵特(te)征(zheng)。

實驗(yan)人員建(jian)立(li)了七種不同的(de)異(yi)質(zhi)結構(gou)超(chao)材料構(gou)型，利用摩方精密研發(fa)的(de)面投影(ying)微(wei)立(li)體光刻(ke)（PμSL）3D打印技術（nanoArch® S140，精(jing)度：10 μm），實(shi)現(xian)了超(chao)材料樣品的(de)高(gao)分辨制(zhi)備(bei)。根(gen)據(ju)實(shi)驗(yan)結果(guo)顯(xian)示(shi)，交(jiao)叉層(ceng)狀設計的生(sheng)物(wu)啟(qi)發(fa)超(chao)材料在壓縮試驗(yan)中表(biao)現(xian)出(chu)顯(xian)著(zhu)的力(li)學性能提(ti)升(sheng)。例如，Hex（六層(ceng)）樣(yang)品在(zai)力(li)學性能方(fang)面相(xiang)比(bi)於(yu)Mono樣品有(you)顯(xian)著(zhu)改善；其(qi)模(mo)量(liang)、屈(qu)服(fu)強(qiang)度、流(liu)動(dong)應力(li)（在(zai)30%應(ying)變(bian)時）和比(bi)能量(liang)吸收分別提(ti)高(gao)了(le)64%、25.9%、35.8%和36.4%。這些實驗結果(guo)顯(xian)示(shi)，交(jiao)叉層(ceng)狀設計的超(chao)材料在壓縮試驗(yan)中表(biao)現(xian)出(chu)顯(xian)著(zhu)的力(li)學性能提(ti)升(sheng)，其(qi)中對於(yu)內部(bu)剪切(qie)帶(dai)的(de)間(jian)隔分布和空間域限(xian)制(zhi)是實(shi)現(xian)這些性能提(ti)升(sheng)的(de)關鍵。通過(guo)引(yin)入無量(liang)綱化參數(shu)無(wu)量(liang)綱化參數(shu)1/√（h/L）進壹(yi)步對描述(shu)這種力(li)學性能的(de)提(ti)升(sheng)（其(qi)中L為樣(yang)品的(de)特(te)征長(chang)度(du)，即(ji)樣(yang)品在(zai)原(yuan)位(wei)壓縮實(shi)驗(yan)中的標距(ju)；h為樣品最大單(dan)層厚(hou)度），發現(xian)了該無量(liang)綱化參數(shu)與(yu)彈性(xing)模量(liang)、屈(qu)服(fu)強(qiang)度、流(liu)動(dong)應力(li)和韌(ren)性之(zhi)間的(de)線性(xing)相(xiang)關(guan)性(xing)。這些參數(shu)的(de)關聯(lian)性表(biao)明(ming)了設計的(de)交(jiao)叉層(ceng)狀微結構(gou)對(dui)於(yu)生(sheng)物(wu)啟(qi)發(fa)材(cai)料的力(li)學性能提(ti)升(sheng)起(qi)到(dao)了重(zhong)要(yao)作(zuo)用。

圖2.具(ju)有不同結構(gou)離(li)散性的(de)生(sheng)物(wu)啟(qi)發(fa)超(chao)材料的剪切(qie)帶(dai)分布。(a)五(wu)種(zhong)具(ju)有(you)想(xiang)等(deng)分層厚(hou)度的生(sheng)物(wu)啟(qi)發(fa)超(chao)材料的結構(gou)示(shi)意(yi)圖。(b)Mono樣(yang)品在(zai)兩(liang)個給定應(ying)變(bian)下的(de)原(yuan)位(wei)變形(xing)和相(xiang)應(ying)的(de)數字圖像(xiang)相(xiang)關(guan)(DIC)結果(guo)。(c)Tri樣(yang)品在(zai)兩(liang)個給定應(ying)變(bian)下的(de)原(yuan)位(wei)變形(xing)和相(xiang)應(ying)的(de)DIC結果(guo)。(d)Hex樣(yang)品在(zai)兩(liang)個給定應(ying)變(bian)下的(de)原(yuan)位(wei)變形(xing)和相(xiang)應(ying)的(de)DIC結果(guo)。比(bi)例尺(chi)為5mm。

隨(sui)後，作(zuo)者(zhe)對超(chao)材料進行(xing)了(le)系(xi)統(tong)的(de)實(shi)驗(yan)與有限(xian)元仿(fang)真（FEM）對(dui)比(bi)研究。隨著(zhe)交錯層(ceng)數的增加，超(chao)材料內部(bu)的剪切(qie)帶(dai)數(shu)量(liang)顯(xian)著(zhu)增加且分布更(geng)加均勻。具(ju)有(you)不(bu)同方(fang)向的(de)結構(gou)交(jiao)替排(pai)列(lie)有效(xiao)地(di)約束(shu)了各(ge)層級結構(gou)內的剪切(qie)帶(dai)，這些交叉片層(ceng)和異(yi)質(zhi)排(pai)列對剪(jian)切(qie)帶(dai)的(de)限(xian)制(zhi)增強(qiang)了超(chao)材料的力(li)學性能，體(ti)現(xian)為強(qiang)度和韌(ren)性的(de)增加。這種自增強(qiang)響應不(bu)以提(ti)高(gao)結構(gou)的(de)相(xiang)對(dui)密(mi)度為代(dai)價(jia)。數(shu)字圖像(xiang)相(xiang)關(guan)分析進壹(yi)步驗證(zheng)了(le)交叉片層(ceng)和異(yi)質(zhi)排(pai)列帶(dai)來(lai)了(le)大量(liang)受(shou)控(kong)於(yu)有限(xian)空間域的(de)剪(jian)切(qie)帶(dai)。這些結果(guo)表(biao)明(ming)，交叉片層(ceng)和異(yi)質(zhi)排(pai)列可以帶(dai)來(lai)屈(qu)服(fu)強(qiang)度、流(liu)動(dong)應力(li)、彈性(xing)模量(liang)和韌(ren)性的(de)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)。

圖3. 生(sheng)物(wu)啟(qi)發(fa)超(chao)材料的模擬結果(guo)。(a)在(zai)兩個給定應(ying)變(bian)下，Bi和Quad樣(yang)品的(de)原(yuan)位(wei)變形(xing)行(xing)為(wei)和最長(chang)單(dan)剪(jian)切(qie)帶(dai)以及相(xiang)應(ying)的(de)模擬結果(guo)。(b)Tri樣(yang)品的(de)原(yuan)位(wei)變形(xing)行(xing)為(wei)和相(xiang)應(ying)的(de)模擬結果(guo)。(c)Tri樣(yang)品截(jie)取(qu)部(bu)分的模(mo)擬結果(guo)。(d)截(jie)取部(bu)分的位(wei)置示(shi)意(yi)圖。(e)板(ban)間區(qu)域和板(ban)間單元的(de)模擬(ni)結果(guo)。(f)層(ceng)間部(bu)分的模(mo)擬結果(guo)。(g)元(yuan)胞間(jian)部(bu)分的模(mo)擬結果(guo)。比(bi)例尺(chi)為5mm。

該(gai)項(xiang)成(cheng)果(guo)獲(huo)得了(le)香(xiang)港研(yan)究資助(zhu)局(ju)項(xiang)目，四(si)川(chuan)省(sheng)科(ke)學技術廳(ting)項(xiang)目，香(xiang)港創新科(ke)技署項(xiang)目及休(xiu)斯(si)頓大學Thomas and Laura Hsu教授席(xi)經費支持，以“Heterostructured mechanical metamaterials inspired by the shell of Strombus gigas"為(wei)題(ti)發(fa)表(biao)於(yu)固體力(li)學頂級期刊(kan)《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。