香港大學《JMPS》：受皇后海螺殼啟發的異質結構力學超材料

軟體動物的殼盡管高度礦化，仍展現出良好的強度和韌性，這得益于其結構設計能有效控制裂縫及其他類型的局部變形（如剪切帶）的擴展。以皇后海螺為例，其殼內部的交叉層狀結構由四個不同層級的層狀特征組成，并以三維排列方式組裝，使其因良好的強度和韌性而聞名。基于皇后海螺殼的幾何設計原理，改良后的超材料有望規避強度-傳導性和強度-密度之間的典型權衡。受皇后海螺殼交叉層狀微結構的三維分層和交互式結構概念的啟發，研究人員設計了一種新型的生物啟發力學超材料。這種創新設計允許采用一種優美的失效機制，即允許出現大量受控剪切帶并將其限制在有限的空間域內，從而大大增強了超材料的機械完整性和整體的應變均勻性。這些結果為設計強韌的超材料提供了新的視角。

圖1.交叉層狀結構示意圖。(a)生物啟發交叉層狀設計示意圖。(b)皇后海螺樣品的電鏡圖。(c)皇后海螺殼的五級分層結構。(d) 生物啟發超材料的五級分層結構。比例尺從上到下分別為50μm、25μm和200nm。

皇后海螺的微觀結構圖展示了其內部的交叉層狀結構。其整體結構由一個 0o- 90o - 0o的片層組成，每一層又由方向為 +/-45o 的更小的子層組成，而每個子層都是更小的子層的集合體，最終這些子層又是單個文石晶體的集合體。因此，其內部多級結構包含了從幾十納米到幾厘米的四個不同尺度的特征結構。受此結構啟發設計的異質結構超材料也具有從基本元胞單元延伸到薄片，再到板、層，最后到體的多級結構。具有不同交叉片層取向的片層在結構中交替排列，創造了一種將整體周期性與區域特異性相結合的新構型。這與通常具有均勻內部結構的傳統點陣超材料有很大不同。這種片層間的旋轉模擬了交叉層狀結構，這是剪切帶抑制的關鍵特征。

實驗人員建立了七種不同的異質結構超材料構型，利用摩方精密研發的面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch® S140，精度：10 μm），實現了超材料樣品的高分辨制備。根據實驗結果顯示，交叉層狀設計的生物啟發超材料在壓縮試驗中表現出顯著的力學性能提升。例如，Hex（六層）樣品在力學性能方面相比于Mono樣品有顯著改善；其模量、屈服強度、流動應力（在30%應變時）和比能量吸收分別提高了64%、25.9%、35.8%和36.4%。這些實驗結果顯示，交叉層狀設計的超材料在壓縮試驗中表現出顯著的力學性能提升，其中對于內部剪切帶的間隔分布和空間域限制是實現這些性能提升的關鍵。通過引入無量綱化參數無量綱化參數1/√（h/L）進一步對描述這種力學性能的提升（其中L為樣品的特征長度，即樣品在原位壓縮實驗中的標距；h為樣品最大單層厚度），發現了該無量綱化參數與彈性模量、屈服強度、流動應力和韌性之間的線性相關性。這些參數的關聯性表明了設計的交叉層狀微結構對于生物啟發材料的力學性能提升起到了重要作用。

圖2.具有不同結構離散性的生物啟發超材料的剪切帶分布。(a)五種具有想等分層厚度的生物啟發超材料的結構示意圖。(b)Mono樣品在兩個給定應變下的原位變形和相應的數字圖像相關(DIC)結果。(c)Tri樣品在兩個給定應變下的原位變形和相應的DIC結果。(d)Hex樣品在兩個給定應變下的原位變形和相應的DIC結果。比例尺為5mm。

隨后，作者對超材料進行了系統的實驗與有限元仿真（FEM）對比研究。隨著交錯層數的增加，超材料內部的剪切帶數量顯著增加且分布更加均勻。具有不同方向的結構交替排列有效地約束了各層級結構內的剪切帶，這些交叉片層和異質排列對剪切帶的限制增強了超材料的力學性能，體現為強度和韌性的增加。這種自增強響應不以提高結構的相對密度為代價。數字圖像相關分析進一步驗證了交叉片層和異質排列帶來了大量受控于有限空間域的剪切帶。這些結果表明，交叉片層和異質排列可以帶來屈服強度、流動應力、彈性模量和韌性的顯著提高。

圖3. 生物啟發超材料的模擬結果。(a)在兩個給定應變下，Bi和Quad樣品的原位變形行為和最長單剪切帶以及相應的模擬結果。(b)Tri樣品的原位變形行為和相應的模擬結果。(c)Tri樣品截取部分的模擬結果。(d)截取部分的位置示意圖。(e)板間區域和板間單元的模擬結果。(f)層間部分的模擬結果。(g)元胞間部分的模擬結果。比例尺為5mm。

該項成果獲得了香港研究資助局項目，四川省科學技術廳項目，香港創新科技署項目及休斯頓大學Thomas and Laura Hsu教授席經費支持，以“Heterostructured mechanical metamaterials inspired by the shell of Strombus gigas"為題發表于固體力學頂級期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。