浙江大学柏浩《AM》：仿乌贼骨高机械效率多孔材料

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乌贼是一种可以在大海中自由浮潜的海洋软体动物，与天空飞翔的鸟儿一样，这是由于它们的骨也具有超轻型的多孔结构(孔隙度约93 vol％)。不同的是，乌贼骨主要由脆性的碳酸钙组成 (文石相碳酸钙含量~90 vol％)。虽然成分脆弱，但由于独特的结构特点，其具有很高的抗破坏性，并且能够承受约20个大气压的水压，保证乌贼可以下潜到400m的深海。

在此之前，美国弗吉尼亚理工大学Ling Li课题组通过互补的三维（3D）结构和四维（4D）力学分析，以及参数化力学建模，分析了墨鱼骨的结构设计。他们发现，乌贼骨与其他天然或工程多孔材料截然不同，它们具有独特的“壁-隔膜”腔状微结构，比刚度达到8.4 MN·m / kg，并且在受力时展现出4.4 kJ / kg的能量吸收能力。并且，通过模拟发现，经过长期演化，乌贼骨微结构中的“隔膜”展现出最佳的波纹度梯度，这使压缩时发生形变和不对称的壁破裂而实现高刚度和高能量吸收，并且，“隔膜”在骨骼中的合理分布，也可以减少应力集中（相关报道：吃墨鱼发了一篇顶刊《PNAS》！墨鱼骨的秘密被揭开！）。

图1 乌贼骨的结构

近日，浙江大学柏浩课题组通过3D打印，设计出了仿乌贼骨多孔材料，重现乌贼骨“壁-隔膜”腔状微结构。该工作近期题为“Mechanically Efficient Cellular Materials Inspired by Cuttlebone”发表在《Advanced Materials 》杂志上。 

通过对乌贼骨结构进行分析，作者发现非对称S型“隔膜”壁是其力学性能优越性的关键。虽然，他们利用3D打印，制备出这种非对称S形壁层状多孔材料，并与对称S形壁和直壁材料进行性能对比，研究其结构-性能构效关系。可以发现，非对称S形壁层在压缩和剪切载荷作用下具有明显的力学性能优势。

更进一步，作者细化S形壁的结构参数，调控A：S形壁的振幅，以此来研究壁的对称性对力学性能的影响。结果发现，对比两类具有对称（A_upper = A_lower）和非对称（A_upper≠A_lower）S形壁的模型，不对称才是仿乌贼骨材料可以同时实现较高的抗压和抗剪强度的关键参数。

图3 仿乌贼骨不对称S形壁力学的实验研究

单轴压缩下，作者制备的仿乌贼骨材料的破坏模式与天然乌贼骨非常相似，其层状结构被逐级破坏，测试的应力-应变曲线也与天然乌贼骨相近。与桁架晶格打印材料相比，其抗压强度和弹性模量是八角形晶格结构的1.5倍和1.8倍。与泡沫多孔材料相比，本文的仿乌贼骨材料的比强度和能量吸收能力更是聚合物泡沫材料的20倍和25倍，是是金属泡沫塑料的2.5倍和3.5倍。

图4 仿乌贼骨材料与其他桁架晶格材料比较

图5 仿乌贼骨材料与其他夹芯板泡沫材料比较

总而言之，我们可以看出，通过模拟乌贼骨的层状、波浪壁结构，调控其中关键的波浪壁的对称性，可以构筑出轻质、高强并且具有高能量吸收能力的新型结构材料，该材料将在航空航天、建筑构造、植入医疗器械等多个领域找到广泛应用前景。

来源：高分子科学前沿

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