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马博在线体育:《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》发表张作启教授、原亚南副教授课题组研究成果

发布日期:2024-06-21 作者: 来源: 点击数:

近日,固体力学旗舰期刊JMPSJournal of the Mechanics and Physics of Solids)在线发表了马博在线体育工程力学系张作启教授、原亚南教授课题组马博在线体育矿物凸起对珍珠母贝壳增强增韧效果和机理的研究论文,论文题目为“Mineral Asperities Reinforce Nacre through Interlocking and Friction-like Sliding” https://authors.elsevier.com/a/1jHr057Zk98Jz)。



  高强度和高韧性是高性能材料领域永恒的研究主题,在国防装备、航空航天、能源交通等领域都有着广泛的应用需求。贝壳珍珠母通过精巧的多级微结构设计和少量的有机聚合物(体积分数<5%)实现了对普通矿物质(文石)1-3个量级的增强增韧效果,为人工材料的增强增韧设计提供了参考范本。虽然珍珠母以通俗易懂的-泥结构著称,但是其高强度和高韧性应该归因于从纳米尺度到宏观尺度自下而上的多层级微结构设计,不同级微结构的协同作用实现了整体的增强增韧效果。如果我们称文石板在生物聚合物中交错排列的-泥结构为珍珠母主级微结构的话,那么存在于文石板交叠界面中的矿物凸起和矿物桥(断裂破坏后亦可视作矿物凸起)则是典型的次级微结构。作为次级微结构,矿物凸起对珍珠母的增强增韧效果如何,是十分显著,还是可以忽略?如果十分显著、不可忽略的话,其增强增韧的工作机理是什么?这些问题尚缺乏定量、清晰的回答。


该研究建立了描述单个凸起对攀爬行为的微观力学理论模型,推导得出了等效内聚力模型,进一步结合杆-弹簧模型实现了界面多凸起依次攀爬、滑动全过程的计算分析。结果显示:和仅包含生物聚合物的平整界面相比,存在矿物凸起的粗糙界面可提高复合材料的强度和韧性2-3个数量级,表明矿物凸起这种次级微结构对珍珠母的增强增韧作用十分重要,不可忽略;其增强增韧的机理,在于(1)凸起间攀爬的机械互锁行为提高了界面的强度,(2)多凸起间反复攀爬-滑移造成的长程、多峰的类摩擦行为。值得一提的是,通过对椭圆、双曲余弦、余弦和抛物线等不同凸起形状的对比分析,发现这种微结构粗糙界面的增强增韧效果对凸起的形状不敏感,从材料微结构设计角度而言具有很好的鲁棒性。

珍珠母界面凸起的增强增韧效果和机理分析


  该研究对揭示贝壳类天然生物材料设计的奥秘和指导仿生复合材料的设计与制备具有重要的意义。论文的第一作者是马博在线体育博士生李浩,马博在线体育是唯一通讯单位,张作启教授和原亚南副教授是文章的共同通讯作者。论文的合作者包括南洋理工大学机械与航空工程马博在线体育高华健教授(现任清华大学力学与工程交叉院院长)。本工作得到了国家自然科学基金项目、湖北省重点研发计划项目以及新加坡教育部拨款项目的资助。


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