海螺壳启发更好的复合材料头盔

海洋生物壳由于风暴潮和潮汐,岩石边缘和锋利的捕食者而受到冲击。但是最近的研究表明,一种类型的壳在其韧性方面首先突破其中:海螺。

海螺壳启发更好的复合材料头盔-CompositesPlus

现在,麻省理工学院的研究人员已经探讨了这些贝壳非凡的抗冲击性的秘密。他们已经表明,这种优越的实力可以用工程材料再现,可能提供最好的保护性头盔和身体护甲。

研究结果报告在“ 高级材料 ”杂志上,麻省理工学院研究生顾问Grace Gu博士,马赫迪·塔法里博士和迈克菲工程学教授Markus Buehler的文章中。

“海螺壳”有这样一个非常独特的建筑,“顾解释道。该结构使材料比珍珠母更加坚硬10倍,通常被称为珍珠母。这种韧性或抗裂性来自基于材料内部结构的三个层次的独特配置。

顾说,三层结构使任何微小的裂缝难以扩散和扩大。她说,这种材料具有“之字形矩阵,所以裂纹必须经历一种迷宫”才能传播。

直到最近,即使在海螺壳的结构被理解之后,“你不能很好地复制。但是现在,我们的实验室已经开发出三维打印技术,可以复制这种结构,并能够对其进行测试,“土木与环境工程系负责人Buehler说。

该项目的一部分创新是团队能够模拟材料的行为,并在现实条件下分析其实际性能。“过去,大量的保护材料测试都是静态测试,”顾解释说。“但军事用途或体育运动的很多应用都涉及高度动态的装载”,这需要详细检查影响效果如何随时间的推移。

对于这项工作,研究人员在滴塔中进行了测试,使他们能够在影响后的第一时刻准确地观察到裂纹是如何出现和传播的,甚至没有传播。Buehler说:“模型和实验之间有令人惊奇的协议。

这部分是因为该团队能够使用精确控制结构的3D打印复合材料,而不是使用真实壳的样本,这可能会导致不可预测的变化,从而使分析变得复杂。通过打印样本,“我们可以使用与计算机模拟中使用完全相同的几何”,我们得到非常好的协议。“现在,在继续工作中,他们可以专注于做出轻微的变化”作为未来的基础优化,“Buehler说。

为了测试三个层次结构的相对重要性,团队尝试对具有不同层次结构的材料做出变化。通过将更小的长度尺度特征结合到复合材料中来引入较高层次结构,如在实际的海螺壳中。果然,低级别的结构证明比本研究中最高水平要弱得多,其中包括天然海螺壳固有的跨层结构。

Gu说,测试证明,具有海螺状交叉特征的几何形状在防止裂纹扩展方面比最强基材好85%,比传统的纤维复合布置好70%。

Buehler解释说,防护头盔和其他耐冲击齿轮需要强度和韧性的组合。强度是指材料抵抗损伤的能力,例如钢是否良好。另一方面,韧性是指材料消耗能量的能力,就像橡胶一样。传统的头盔使用金属外壳的强度和柔性衬里,以舒适和消耗能量。但是在新的复合材料中,这种质量的组合是通过整个材料分配的。

Buehler说:“这具有硬度,如玻璃或陶瓷,但是由于材料在复合结构中具有不同程度的强度和灵活性,因此缺乏这些材料的脆性。像胶合板一样,复合材料由“晶粒”或其材料的内部对准层与不同层到另一层的层组成。

由于使用3D打印技术,该系统将可以生产个性化的头盔或其他身体护甲。例如,每个头盔都可以“定制和个性化; 根据你的头骨扫描,电脑会优化它,而头盔只会为你打印,“顾说。

这些研究人员“巧妙地使用3D印刷和实验来阐明材料层次对生物复合材料的影响”,机械工程教授,西北大学理论与应用力学课程主任Horacio Espinosa说,他没有参与这个工作。“一个有趣的剩下的问题,”他说,“海螺壳设计适用于像头盔那样会弯曲的曲面。”

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