2020-09-30
最近的物理學(xué)網(wǎng)站(phys.org)發(fā)表了一篇由美國國家科學(xué)院供稿的研究成果，關(guān)于碳酸鈣等脆性材料在應(yīng)力作用下的行為，從而開發(fā)出可應(yīng)用于航空航天的包括泡沫陶瓷在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料。
粉筆是典型的碳酸鈣制品，脆性大，易斷裂;而像墨魚骨等許多海洋生物結(jié)構(gòu)材料同樣是碳酸鈣為主要成分，但卻具備輕量化、堅(jiān)固、高韌的優(yōu)異特性。李凌(Ling Li)教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了墨魚骨的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其具備特有的空腔間隔優(yōu)化結(jié)構(gòu)。也正是這種結(jié)構(gòu)，使墨魚骨很輕便，并且可以通過調(diào)整氣體和水分比例，下潛深達(dá)600米之多而仍能承受其高壓。
研究團(tuán)隊(duì)利用阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的高強(qiáng)X射線照射墨魚骨并生成高分辨圖像，基于同步加速器的微型計(jì)算機(jī)斷層攝影對其微結(jié)構(gòu)三維表征，并對墨魚骨進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，研究其載荷下的完全變形和斷裂過程，從而揭示了墨魚骨的空腔間隔優(yōu)化結(jié)構(gòu)的剛度和損傷極限等的設(shè)計(jì)。
區(qū)別于夾層結(jié)構(gòu)，墨魚骨的微結(jié)構(gòu)顯示由波紋梯度的波浪形“墻壁”支撐，而不是支柱支撐，也正是因此，墨魚在受到獵食動(dòng)物攻擊時(shí)，不會(huì)瞬間遭遇災(zāi)難性的后果，為自己爭取更多逃命的機(jī)會(huì)。這種微結(jié)構(gòu)受力破裂伴隨著致密化過程，受損腔體壓實(shí)可以吸收大量機(jī)械能，從而保護(hù)其他腔體的完整。墨魚骨的優(yōu)化之處還在于，它平衡了剛度和能量吸收的最佳平衡點(diǎn)，避免了剛性過低或結(jié)構(gòu)過于脆弱的尷尬。而這樣的結(jié)構(gòu)在開發(fā)航空航天耐高溫泡沫陶瓷材料上很有幫助，畢竟陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性、熔點(diǎn)都使其更具備應(yīng)用潛力。
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