自然多孔固体中结构无序的益处
应用物理
2021-10-12 v1 材料科学
摘要
自然界中的结构多孔材料，如木材、骨小梁、珊瑚和牙本质，将复杂的生物功能与结构作用（如骨骼支撑与冲击防护）相结合。它们具有从纳米到宏观的复杂结构层级，可同时优化强度与韧性（缺陷容限）。这些层级通常在孔隙排列上表现出结构无序。然而，无序程度此前未被系统量化，且其在多孔生物材料力学性能中的作用 generally unknown。在此我们应用 Voronoi 镶嵌来量化生物与工程多孔材料二维截面中的胞元尺寸变化，使用无序参数（d）介于 0（高度无序）到 1.0（规则六边形蜂窝）之间。我们证明多种植物、真菌与动物多孔材料表现出特征性的无序范围。利用 3D 打印类比物与数值方法，我们通过实验证明了一类伪有序范围（d=0.6 至 0.8），其与等密度的六边形蜂窝（d=1.0）相比断裂韧性（及等效强度）提升 >30%。我们的结果表明该无序范围与生物样本中确定的范围相似，提示趋同演化。这一最优结构无序程度限制了灾难性失效，为生物生存提供演化优势。分布式的结构损伤将裂纹限制在最大阈值尺寸以下，并能在创伤后启用组织修复机制。我们的工作表明，定制的无序应被视为数字化制造轻量构型材料以提升损伤容限的新设计范式。
引用
@article{arxiv.2110.04607,
title = {The benefits of structural disorder in natural cellular solids},
author = {Derek Aranguren van Egmond and Bosco Yu and Sahar Choukir and Shaohua Fu and Chandra Veer Singh and Glenn. D. Hibbard and Benjamin D. Hatton},
journal= {arXiv preprint arXiv:2110.04607},
year = {2021}
}