搜索热:激光超声 马鸣图
扫一扫 加微信
首页 > 科研探索 > 科学研究 > 消息正文
首页 > 科研探索 > 科学研究 > 消息正文
Advanced Materials:加利福尼亚大学发现高韧性人字形结构的生物复合材料
发布:lee_9124   时间:2016/6/9 17:18:00   阅读:416 
分享到新浪微博 分享到腾讯微博 分享到人人网 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter
【成果简介】

大自然神秘莫测,她用其灵巧的双手创造了多种多样的生物。这些生物所拥有的独特结构和性能,常常带给我们创新的灵感和启发。众多海洋甲壳动物的足部能捕获和撕咬带硬壳的猎物,原因是足部由磷酸盐晶体矿化的α-甲壳素组成,能够吸收能量,抑制裂纹扩散,从而有着良好的耐损伤和抗冲击性。

北京时间6月6号,Advanced Materials官网更新报道了一则研究成果,加利福尼亚大学的Nicholas A. Yaraghi等人发现了海洋甲壳动物外表皮的一种新型超微结构——人字形螺旋纤维状结构。与传统的螺旋结构相比,该结构的韧性、应力再分布和能量吸收性能均大大提高。他们预见,将该种结构推广应用,将大大提高复合材料的机械性能。

【图文导读】

注:纳米压痕技术是最简单的测试材料力学性质的方法之一,可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质,如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性等。

微分干涉差显微镜能显示结构的三维立体投影影像。

图1 光学显微图像和纳米压痕试验区的高分辨图像
 
 

(a)为尾雀螳螂虾,黄框标示处为前足;
(b)为肢体局部图,黄框标示处为一个矢状面;
(c)为(b)的矢状面断层扫描图;
(d)为冲击区表面(≈70μm),冲击区内部(≈500μm)和非冲击区的微分干涉差显微图像;
(e)为(d)中冲击区内部的微分干涉差显微图像;
(f)为(d)中受冲击区内部人字形区的高分辨纳米压痕图像,并标示出不同位置弹性模量的变化;
(g)为(c)中受冲击区的明场像;
(h,i)为(g)中所示近冲击表面区域的纳米压痕试验的低分辨图,其中(h)为弹性模量的梯度变化;(i)为硬度的梯度变化
小结: 该物种前足分为冲击区和非冲击区,冲击区又分为冲击区表面和内部。冲击区矿化程度高,密度大,硬度高,弹性模量高,有着类似三角波的人字形图案(人字形区域的不同位置弹性模量也不尽相同);非冲击区有机质含量高,硬度低,弹性模量低。

图2 SEM图观察冲击区的断裂图像和纳米结构特征
 
 

(a)为沿矢量平面断裂的SEM图,虚线为冲击区与非冲击区的界限;
(b)为(a)所示的冲击区内部的人字形结构,虚线划分了不同的纤维取向。箭头代表着部分纤维的取向;
(c,d)为(b)的高分辨SEM图像,其中(c)中纤维的取向朝向平面外;
(d)中纤维取向在平面内。取向垂直于试样表面的孔状纤维形成一个网络结构(黄色部分);
(e)显示了(x-y)平面纤维和孔状纤维的组织结构;
(f)为(a)中冲击表面区的颗粒形貌,箭头和虚线表示孔状纤维取向垂直于样品表面,插图显示表层纳米粒子的平均尺寸在65nm左右

小结:由于在图1的矢量面中,纤维的内外取向不同,因此在(x-y)平面内形成网状结构。z方向的孔状纤维贯穿冲击区和非冲击区,与(x-y)平面交织,加强了网络,分散了各向异性,增强了体系的韧性。

图3 TEM观察冲击区表面和内部的纤维和晶体结构
 
 

(a)从低分辨TEM图中可观察到冲击表面区域的纳米粒子和孔状纤维(黄色箭头标示)结构;
(b)高分辨TEM图显示了冲击表面的粒子的形貌。插图为选区电子衍射花样,证明了纳米单晶的存在。
(c)左图为某单个纳米粒子的TEM图,插图为FTT(快速傅里叶变换)得到的磷灰石(100)晶面。右图是对(100)晶面进行IFFT(快速傅里叶逆变换),证实了其为一个单晶。
(d)TEM显示,冲击区内部的矢量面内外不同取向的纤维发生旋转,并相互交织。下方插图为上述两种方向纤维的交叉示意图,上方插图为平面内纤维和孔状纤维的SEM图,两者对应一致。
(e,f)为(d)图中标示的选区电子衍射花样,显示磷酸盐的择优生长取向与孔状纤维方向一致。
(g)为(d)图中的单根纤维的高分辨TEM图,FFT显示(100)晶面平行于纤维长轴方向。

小结:TEM选区电子衍射和FFT证明了磷灰石晶体的存在,且磷灰石的择优生长取向与孔状纤维延伸方向一致。

图4 高负载纳米压痕试验探究增韧机理
 
 

(a)向冲击区最大施加1000mN的载荷后的SEM图。表面有轻微的刻痕,在面内外不同取向纤维的交界处,可看到人字形结构和裂纹偏转;
(b)SEM图显示,在刻痕边缘处,纤维起到连接的作用;
(c-e)TEM图显示了向冲击区施加不同载荷的结果。部分显微结构包含了取向相互垂直和交叠的纤维束,如图蓝色和绿色虚线所标记处;
(f)为图(c)-图(e)的载荷-位移曲线,Ⅰ型裂纹开始于已存在的缺口,并沿着原方向扩散(绿色区域)。(d)图中与裂纹相近的纤维束2(蓝色虚线)开始沿某一方向转向。(e)部分区域的纤维由于取向朝向矢量面外,导致转向失败,与纤维束2呈90°角断开。

小结:向表面施加压力,裂纹发生偏转,且只在取向朝向矢量面外的区域扩散;在裂纹尖端,纤维能够自我修复发生连结;结合图3,磷灰石的晶体结构将各向异性传导至高分子纤维。以上机制,增强了体系的韧性。

图5 螺旋形和人字形结构的有限元分析和3D打印模型测试
 
 

(a)螺旋形和人字形结构的几何形状和纤维取向示意图。颜色代表了z轴方向的相对位置;
(b)人字形结构的网格模型;
(c,d)分别对螺旋形和人字形结构表面施加恒定的冯米斯应力,数值分别为1.89 × 10−2, 1.95 × 10−2, 2.28 × 10−2,观察应力分布情况;
(e)人字形结构相对于螺旋结构的杨氏模量。横坐标代表人字形结构的振幅和波长比。
(f)螺旋形和人字形结构的3D打印模型;
(g)3D模型的抗压试验;
(h)螺旋形(左)和人字形(右)结构的3D打印模型在应变为0.1时的对比图。

小结:剪切应力测试表明,人字形结构的应力分布更加均匀;从内部到表层,振幅/波长比逐渐增加,杨氏模量也随之增加,韧性增强;人字形结构的能量吸收性能更好,能抵抗更大的应力。

图6 表层高载荷纳米压痕试验和有限元模拟实验
 
 

(a)冲击区内部和表面的3D模型图显示颗粒层在人字形结构上方,插图为相应区域的光学显微镜图像;(b)向冲击区表层和内部分别施加100,500,1000mN的力得到的SEM图;
(c)冲击区表面颗粒层的SEM图;
(d)颗粒层的有限元模拟示意图;
(e)冯米斯应力示意图,虚线以上为粒子层,以下为有序层。下层与上层的杨氏模量比分别为1/1, 1/10, 1/100, 1/1000。随着比值的增加,可观察到应力受限的现象。

小结:冲击区表层纳米粒子有着各向同性,能够很好地分散应力。


来源:材料人网
 
相关信息
   标题 相关频次
 顶刊动态 | Chem. Rev./AM等生物材料前沿最新科研成果精选
 2
  3D打印在人体器官应用中的重大突破
 1
 "CCCM-2" 第二届中国国际复合材料科技大会通知
 1
 “点石成金”不再是梦
 1
 “空铁”在中国低调竣工,这个技术靠谱!为中国制造点个赞!
 1
 2016年第51届法国国际复合材料展
 1
 2017年我国传热铝复合材料或达85万吨
 1
 3D打印的“新宠”—复合材料打印头
 1
 Al2O3纤维增强铝基复合丝腐蚀行为及机理研究
 1
 C/SiC复合材料拉伸过程的声发射研究
 1
 Ca-α/β-Sialon结合刚玉复合材料的力学性能
 1
 GE航空集团对陶瓷基复合材料进行点火测试
 1
 iPhone 7机壳或采用新型复合材料 可集成天线
 1
 MGF/PLA复合材料的制备及性能
 1
 MoS2、CdO及聚全氟乙丙烯填充改性聚四氟乙烯
 1
 NASA完成首次火箭壳体测试 使用复合材料提高性能
 1
 NASA先进复合材料联盟再添生力军
 1
 Nature Communications:低成本、高强度分层纳米结构β-钛合金
 1
 PP-g-MAH改性SGF+POE/FPP复合材料的制备及性能
 1
 Science: 在微立方块银单晶中形成梯度纳米结构
 1
 Si3N4p-SiCw/MoSi2复合材料的强韧化效果与机制
 1
 SiCf/Ti-6Al-4V复合材料的界面反应及其影响
 1
 SiCP/6061Al复合材料高温单轴拉伸时相关棘轮行为的细观本构模型
 1
 SiC颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损性能
 1
 T300/648复合材料的湿热老化行为
 1
 T700和T300碳纤维增强环氧树脂基复合材料耐湿热老化性能的对比
 1
 Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料的应用前景
 1
 Ti3SiC2/SiC复合材料高温氧化行为研究
 1
 TiB2/Al复合材料喷丸后微区残余应力的有限元模拟
 1
 X射线检测技术在复合材料检测中的应用与发展
 1
 X射线源透射式工业计算机断层扫描成像技术在复合材料工件检测中的散射修正
 1
 YANG XiaoLin,LV BoPing,XIAN MingLe
 1
 ZrO2与HA复合粉体的烧结行为
 1
 阿波罗-2:采用碳纤维复合材料打造的私人飞机
 1
 包覆镍CNTs/AM60复合材料铸态显微组织与力学性能
 1
 包覆镍的碳纳米管增强AZ91镁基复合材料的显微组织与力学性能
 1
 变厚度碳纤维/环氧树脂基复合材料层压板的多电子闸门C扫成像
 1
 表面处理方法对剑麻纤维/酚醛树脂复合材料性能的影响
 1
 波音737飞机发动机反推装置内侧壁板复合材料的无损检测
 1
 玻璃陶瓷复合材料的研究进展
 1
 玻璃纤维复合材料分层缺陷的红外热波检测
 1
 残余热应力对复合材料双面胶接含裂纹铝合金板修复结构疲劳寿命的影响
 1
 曹春晓院士畅谈航空结构材料的五朵金花
 1
 层压结构复合材料的激光剪切散斑检测
 1
 层状复合材料周期结构的超声传播频散特性及均匀化模拟
 1
 长春光机所研制出发光碳纳米点复合材料
 1
 超光滑镀层使钢材性能更佳
 1
 超声热成像检测应用实例
 1
 川大研制出新型石墨烯橡胶纳米复合材料
 1
 从木材到复合材料 点评百年飞机结构材料变迁之旅
 1