类珍珠母软硬层状结构中因软层弱非线性导致的增韧现象

近来实验发现，水合珍珠母表现出非线性力学响应。尽管力学非线性已在其他生物结构（如蜘蛛网）中被证明十分重要，但其在珍珠母中的意义尚未被探究。本文中，我们展示珍珠母的非线性力学响应可由一个解析模型复现，该模型反映一种类珍珠母层状结构，由线性弹性硬片通过弱非线性弹性软片黏结而成。我们对该解析模型进行标度分析，并使用晶格模型（该解析模型的离散对应模型）进行数值模拟。出乎意料地，我们发现软组分中的弱非线性通过将裂纹尖端的应力在更宽区域上重新分布，显著有助于增强韧性。除揭示解释生物珍珠母异常特性的机制外，本研究指出了利用弱非线性构建坚韧复合材料的一般设计原则，并可作为开发模仿珍珠母的人工层状结构的指导原则。