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對(duì)甲蟲外骨胳發(fā)育階段研究揭示螺旋復(fù)合材料的機(jī)械性能變化

瀏覽: 時(shí)間:2024-12-29

具有突出機(jī)械性能的天然材料在微/納米級(jí)尺度的常見模式表現(xiàn)出來,這種模式在不同生物物種中普遍存在。長(zhǎng)期以來,為了再現(xiàn)大自然已經(jīng)完善過程的東西,其中最吸引人的模式是螺旋狀的圖案,因?yàn)檫@種模式提供了增強(qiáng)的斷裂韌性和抗損傷性可能性。由規(guī)則堆疊的纖維層組成的這類圖案的結(jié)構(gòu)(圖1a)是其高適應(yīng)性的起源:纖維之間的螺距旋轉(zhuǎn)角度的變化(γ,圖1a)反映了材料的機(jī)械響應(yīng)變化。

在兩個(gè)不同的發(fā)育階段,即幼蟲和成蟲階段,檢查了甲蟲的外骨胳(或角質(zhì)層)及其螺旋基序的發(fā)育(圖1b)。在發(fā)育階段被調(diào)節(jié)的表皮層結(jié)構(gòu),具體為外胚層和內(nèi)胚層中的纖維組織。在幼蟲階段,外胚層和內(nèi)胚層是具有不同角度的不同螺旋結(jié)構(gòu)(I型,圖1c)。在成蟲階段,外胚層具有與幼蟲相同的螺旋結(jié)構(gòu);然而,內(nèi)胚層結(jié)構(gòu)從螺旋狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閭握唤Y(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由正交排列的纖維交替層組成,這些纖維由薄的螺旋過渡區(qū)分開(II型,圖1c)。外骨胳結(jié)構(gòu)中的這些變化是出于對(duì)生物學(xué)需求的響應(yīng)而發(fā)生的:在幼蟲階段,外胚層可以防止被捕食;在成年甲蟲中,混合螺旋基序符合更復(fù)雜的功能,可以平衡保護(hù)(底層翅膀)與飛行力學(xué)(飛行期間產(chǎn)生撲翼力)之間的關(guān)系。

圖1. a)螺旋結(jié)構(gòu)的示意圖。 b)從蟲卵到成蟲過渡時(shí)具有不同動(dòng)物形態(tài)甲蟲的典型生命周期示意圖。 c)示顯示了在幼蟲階段(I型)和成蟲階段(II型)的甲蟲中的外胚層和內(nèi)胚層的螺旋結(jié)構(gòu)示意圖。

在單軸拉伸載荷下測(cè)試的3D打印合成螺旋結(jié)構(gòu)中再現(xiàn)了相同的圖案功能交織。 這些合成的復(fù)合材料機(jī)械響應(yīng)表現(xiàn)出彈性/非彈性和失效,它們所表現(xiàn)出來的性能很大程度上取決于層間的螺距角。對(duì)應(yīng)力 - 應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析表明,通過減小俯仰角,可以增強(qiáng)整體韌性; 此外,較小的俯仰角會(huì)導(dǎo)致斷裂形態(tài),并具有更清晰的螺旋形圖案(圖2)。

圖2.具有不同螺距角的合成螺旋狀復(fù)合材料中的斷裂表面的示意圖:a)γ= 15°,b)γ= 60°,c)γ= 90°。對(duì)于每個(gè)俯仰角的纖維層(左)和分形圖(右)。

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