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柔性耐疲劳材料设计有了新思路

时间:2023-06-25 16:56:29    来源:科技日报    

你是否使用过折叠手机?是否想尝试折叠屏却又担心折痕?来自大自然的力量将会解决这个问题。江河湖泊中随处可见的河蚌,一生需要进行数十万次重复的开合运动,却能一直保持稳定状态不发生形变,其双壳连接背脊处发挥关键作用的“铰链”——贝脊给了科学家灵感。

记者23日从中国科学技术大学获悉,该校俞书宏院士团队联合吴恒安教授团队成功揭示了河蚌“铰链”内的可变形生物矿化组织的耐疲劳机制,发现了一种多尺度结构设计与成分固有特相结合的抗疲劳新策略。该研究成果于6月23日发表在《科学》上。

研究人员探明了河蚌“铰链”中折扇形组织的设计原理,发现这种生物组织可以在河蚌双壳重复打开和关闭运动期间,能承受较大的变形,同时可以长期保持结构和功能的稳定,即使经过150万次循环,这种生物组织仍能稳定发挥作用并且没有表现出明显的疲劳行为。

为研究这种生物材料的组成、结构以及这二者与材料最终能之间的关系,研究团队利用数学似的方法对河蚌“铰链”在变形过程中的状态进行模拟。铰链区域可以分为两个不同的区域:外韧带(OL)和折叠扇形矿物组织区域(FFR)。在双壳闭合过程中,OL发生拉伸,承担主要的周向应力并储存大部分弹应变能;FFR区域沿周向弯曲变形,并在受限的径向变形下提供强大径向支撑固定OL。研究人员揭示了这一从宏观到微纳米尺度的多级结构设计,这种设计原则赋予了该组织高变形、高耐疲劳

该项研究为今后柔功能材料的组装设计提供了一种全新的仿生模型,为延长材料使用寿命提供了新的解决方案,对未来柔耐疲劳材料的研制具有重要的指导意义。

标签: 柔性耐疲劳材料设计 柔性耐疲劳材料

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