弗吉尼亚理工大学解决海胆外骨多孔微结构奥秘

电动悟空摘录 据外媒报道，弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）研究人员解决了海胆外骨多孔微结构的奥秘，或将有助于制造轻质合成陶瓷。

(图片来源:弗吉尼亚理工大学)

陶瓷耐热性高，是高速车辆的首选。由于压缩空气在高速运行时会与车辆产生强烈的摩擦，导致热量迅速上升。但陶瓷的耐损性较差，特别是当陶瓷制成多孔结构以减轻重量时。

为了提高陶瓷材料的机械性能，研究人员利用海胆等生物形成的天然陶瓷多孔固体来探索新的设计原理。海胆的外骨是一种多孔固体（或泡沫）。从微观结构的角度来看，它由具有实心边缘或表面的开放细胞组成，细胞之间的间隙使其变成多孔结构，从而产生比致密结构更机械的材料。

如何像海胆一样应对外部损害？

在这项研究中，研究人员发现了一些关键因素，使海胆坚固而坚韧，并通过多孔微结构减轻重量。

由一种叫碳酸钙的脆性矿物组成的海胆刺硬、结实、重量轻。这种矿物类似于合成陶瓷，但海胆在承受重量或力量时的容忍度要高得多。该研究小组通过机械挤压海胆刺来模拟工程陶瓷可能承受的外部条件。相比之下，海胆刺在外施力下会优雅变形，而目前合成的陶瓷多孔固体则会严重损坏。由此可见，海胆刺具有显著的能量吸收能力，对损伤有耐受性。

深层结构特征

在研究过程中，团队发现了海胆在机械加载过程中保持完整的奥秘。机械工程系助理教授Ling Li海胆刺的结构特征，一是与分支连接有关，二是孔的大小。

在显微镜下，团队观察到了相互连接的短分支结构。由节点组成的网络将这些分支连接在一起。海胆耐损性的秘密之一是保持节点和分支数量之间的平衡。这个数字非常关键，因为节点上有太多的连接分支，这将导致结构脆弱和脆弱。

第二个秘密是分支之间的间隙或孔隙的大小。研究人员发现，海胆刺多孔结构中的间隙仅略小于分支的大小。这意味着，一旦分支断裂，它们就可以立即被这些较小的开口锁定。断裂的分支堆叠在孔隙上，形成一个密集的区域，仍然可以承受负载。

此外，海胆的表面形状非常光滑，不像合成陶瓷那样有许多微观缺陷，可能会导致损坏。海胆刺的表面几乎像玻璃，可以达到纳米光滑的水平。

海胆刺具有分支、孔隙和光滑的表面，重量轻，能均匀分布结构内的应力，更有效地吸收能量，从而达到高强度和损伤容忍度。

制作下一代陶瓷

研究人员表示，这些发现不能用于制造陶瓷，因为目前的加工方法还不成熟。

合成陶瓷通常由塑料和烧制两个步骤制成。烧制过程中会形成微观缺陷，导致材料强度低。因此，很难重建海胆的微观结构。Li我希望有一天，我们不仅能将这些材料的设计原理整合到受生物启发的轻质陶瓷材料中，还能从自然系统中学习材料加工策略。