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據外媒報道，弗吉尼亞理工大學(Virginia Tech)的研究人員解開了海膽外骨骼多孔微結構中的奧秘，或將有助于制造輕質合成陶瓷。
陶瓷具有高耐熱性，是高速車輛的首選。因為在高速運行時，壓縮空氣會跟車輛之間產生強烈摩擦，導致熱量迅速上升。但是，陶瓷的耐損性較差，尤其當陶瓷被制成多孔結構以減輕重量時。
為了提高陶瓷材料的機械性能，研究人員利用由海膽等生物形成的天然陶瓷多孔固體，探討新的設計原理。海膽的外骨骼是一種多孔固體(或“泡沫”)，從微觀結構上看，由具有實心邊緣或表面的開放式細胞構成，細胞之間的間隙使其變成多孔結構，從而生成一種比致密結構更具機械效率的材料。
如何像海膽一樣應對外部損害
在這項研究中，研究人員發現了一些關鍵要素，使海膽既堅固又有韌性，同時可以通過多孔微結構來減輕重量。
海膽的刺堅硬、結實、重量輕，由一種名為碳酸鈣的脆性礦物構成。這種礦物類似于合成陶瓷，但在承受重量或力量時，海膽的容忍度要高得多。該研究團隊模擬工程陶瓷可能要承受的外部條件，通過機械擠壓海膽刺來進行測試。相比之下，海膽刺在外施加力下會優雅地變形，而目前合成的陶瓷多孔固體則破損嚴重。由此可見，海膽刺具有顯著的能量吸收能力，對損害具有耐受性。
深層結構特征
在研究過程中，該團隊發現了使海膽在機械加載過程中保持完整的奧秘。該校機械工程系的助理教授Ling Li表示：“海膽刺的結構特征，一是與分支連接有關，其次在于孔的大小。”
在顯微鏡下，該團隊觀察到相互連接的短分支結構。由節點構成的網絡，將這些分支連接在一起。海膽耐損性的秘密之一在于，節點和分支的數量之間保持平衡。這個數字非常關鍵，因為節點上的連接分支過多，會導致結構變得脆弱、易碎。
第二個秘密在于分枝之間的空隙或孔隙的大小。研究人員發現，海膽刺的多孔結構中的縫隙僅略小于分枝的大小。這意味著，一旦分枝斷裂，可以立即被這些較小的開口鎖定。斷裂的分枝在孔隙上相互堆疊，形成一個密集的區域，仍能承受負載。
另外，海膽的表面形態很光滑，不像合成陶瓷那樣有許多微觀缺陷，可能導致損壞。海膽刺的表面幾乎像玻璃，可達到納米級光滑水平。
由于具有分支、孔隙和光滑的表面，海膽刺的重量較輕，可以均勻分布結構內部的應力，更加有效地吸收能量，從而實現高強度和損害容忍能力。
制造下一代陶瓷
研究人員表示，由于目前的加工方法還不太成熟，這些發現還無法應用于制造陶瓷。
合成陶瓷通常是通過塑形和燒制兩個步驟而制成。在燒制過程中會形成微觀缺陷，導致材料強度較低。因此，重建海膽的微觀結構比較困難。Li表示：“希望有一天，不僅可以將這些材料設計原理整合到受生物啟發的輕質陶瓷材料中，還可以從自然系統中學到材料加工策略。”
浙公網安備 33010602000006號
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