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3D打印的复合材料受Mantis Shrimp俱乐部武器的启发

来源：narkii 浏览数：
责任编辑：六月芳菲时间：2018-07-25 17:49

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[导读]在最近的研究中，研究人员与加利福尼亚大学河滨分校合作，研究了螳螂虾如何在没有永久损害的情况下使用其强大的俱乐部背后的机制，以及旨在开发一类新型超韧材料的设计战略。

在寻找加强材料的方法时，大自然通常会提供最佳答案。普渡大学的研究人员使用螳螂虾作为灵感 - 两年前，他们发表了研究报告，内容涉及他们使用3D打印技术开发受彩虹色螳螂虾启发的新型超强材料。在最近的研究中，研究人员与加利福尼亚大学河滨分校合作，研究了螳螂虾如何在没有永久损害的情况下使用其强大的俱乐部背后的机制，以及旨在开发一类新型超韧材料的设计战略。

究竟是什么让螳螂虾脱颖而出的是，它实际上可以粉碎并击败其装甲猎物（主要是软体动物和其他螃蟹），它们的耐损伤性和优异的机械性能也是众所周知的。令人惊叹的海洋生物在拳头后面拥有令人难以置信的力量，并且可以像22口径子弹一样快速地冲锋。

螳螂虾通过一个“指环俱乐部”附属物征服它的猎物，该附属物由复合材料组成，随着裂纹扭曲，这种复合材料变得越来越坚韧。（普渡大学图片/ Pablo Zavattieri）

新的研究结果表明，俱乐部的复合材料实际上变得更加强硬，因为一条裂缝试图扭曲，实际上阻止了它的进步。这种裂纹扭曲是由物质的几丁质纤维引导的，这种纤维是许多海洋甲壳动物壳和昆虫外骨骼中发现的物质，排列成类螺旋状楼梯的螺旋结构。

“这种机制以前从未被详细研究过，”扎瓦蒂里说。 “我们发现，随着裂纹的发展，裂纹扩展的驱动力逐渐减小，促进了其他类似机制的形成，从而防止材料突然崩溃。我认为我们终于可以解释为什么材料如此强硬。

“这项工作的新颖之处在于，在理论方面，我们开发了一种新模型，在实验方面，我们使用已建立的材料来创建验证这一理论的复合材料。”

普渡大学博士生Nobphadon Suksangpanya;加州大学河滨分校的博士生Nicholas A. Yaraghi;加州大学河滨分校化学与环境工程与材料科学与工程教授David Kisailus; Zavattieri在“生物医学材料力学行为杂志”和“国际固体与结构杂志”杂志上发表了两篇关于他们精彩作品的论文。

螳螂虾的dactyl俱乐部的螺旋结构是自然设计的，以承受重复的高速冲击。（加州大学河滨分校，扫描电子显微镜图片/ David Kisailus）

“这个令人兴奋的新分析，计算和实验工作，跟随我们对螳螂虾俱乐部和仿生复合材料工作中螺旋体的初始生物复合特性的研究，真正提供了对这种独特结构内增韧机制的更深入的了解”，Kisailus说道。。

先前的研究发现，该指环自然的螺旋结构设计是为了承受重复的高速冲击。在新的研究中，团队已经明确了解为什么这种模式赋予了这种韧性：当裂纹形成时，他们遵循扭曲模式，而不是直接在结构上传播，导致失败。加州大学河滨分校的电子显微镜拍摄的新图像显示，不是单个裂纹继续传播，而是形成许多较小的裂缝 - 消散撞击时材料吸收的能量。

研究人员创建并测试了以这种行为为模型的3D打印复合材料，利用相机和数字图像相关技术捕获裂纹行为，以研究材料的变形。