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陶瓷工程界的明星,通過研究這種不尋常的海洋物種復雜且高度有序的礦化骨骼系統,中國建材網,cnprofit.com
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陶瓷工程界的明星,通過研究這種不尋常的海洋物種復雜且高度有序的礦化骨骼系統
2022年02月21日    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com    |  投稿

與金屬和聚合物基材料相比,陶瓷可以更好地承受高溫和腐蝕性環境,但它們的脆性往往使它們容易破損。這種行為可能會給試圖創造這些材料的輕質多孔版本的創新者帶來問題,這解釋了為什么陶瓷泡沫通常不用作結構部件。


面對開發輕質、高強度陶瓷材料的艱巨任務,機械工程助理教授李玲向一位意想不到的合作者尋求設計靈感:來自熱帶印度太平洋的多節海星中國建材網cnprofit.com。通過研究這種不尋常的海洋物種復雜且高度有序的礦化骨骼系統,李和他的研究團隊發現了一種意想不到的特征組合,可能會導致開發出一種全新的高性能輕質陶瓷復合材料。


陶瓷工程界的明星,通過研究這種不尋常的海洋物種復雜且高度有序的礦化骨骼系統 中國建材網,cnprofit.com


通過多孔變輕


汽車和航空航天制造等行業對設計堅固和輕質的材料有著濃厚的興趣,將更好的燃油效率與強度相結合。工業界發現這種平衡很難達到,因為強度更高的材料通常具有高密度,因此重量更大。


大自然經過數百萬年的進化,想出了解決這個問題的巧妙方法:使用多孔材料。內部孔隙率的引入可能會產生極輕且機械高效的材料。


自然界中存在幾個多孔材料的例子。這些包括人類骨骼系統、植物莖和蜜蜂的蜂巢。如果將這些天然材料放在顯微鏡下,很快就會發現它們充滿了微小的空隙或腔室。自然生長非常有效地形成這些多孔生物結構,并且這種形成通常會導致出乎意料的復雜內部幾何形狀。


在生物和仿生材料實驗室,李和他的團隊正在研究天然輕質陶瓷結構,目標是開發新的材料設計原則,以解決陶瓷泡沫和建筑材料的機械弱點。


“我們的總體目標是學習并從大自然中汲取靈感,開發新型多孔材料,”李說?!按笞匀粸樵O計既堅固又耐損壞的多孔材料提供了許多很好的材料課程?!?/p>


此前,該團隊發現墨魚骨(墨魚的內部骨骼)獨特的基于腔室的生物陶瓷結構同時具有堅固、堅硬和抗斷裂的特性,同時仍可調節浮力。這個項目和其他類似項目激發了團隊在微觀尺度上研究自然界多孔設計的其他應用。


海星骨架:一種天然的建筑陶瓷格子


在這項工作中,李和他的團隊將目光轉向了多節海星的骨架。廣泛分布于整個印度-太平洋地區,該物種的干骨骼通常用于家居裝飾。這些海星的特征是從背表面升起的錐形突起,可以阻止捕食者。


在納米尺度表征和制造實驗室 (NCFL) 觀察這些海星骨架的樣本時,Li 和 Ph.D. 學生 Ting Yang(論文的共同第一作者,現為麻省理工學院博士后)的觀察引起了他們的興趣:在微觀尺度上,海星骨架呈現出排列非常規則的格子結構與之前研究的墨魚骨和海膽刺的多孔結構完全不同的樹枝。事實上,這顆海星獨特的骨骼組織表現出這組無脊椎動物有史以來最高的結構規律性。這種規則的格子狀結構與現代人類建筑項目中常用的空間框架桁架結構具有顯著的相似性。


該團隊想知道這種天然陶瓷晶格材料是如何實現機械保護的,因為海星骨架是由方解石制成的,方解石是碳酸鈣(白堊)的一種結晶形式。熟悉戶外玩耍的孩子都知道,人行道粉筆很脆,很容易折斷。然而,海星的身體表現出很高的強度和柔韌性。揭示這種結構的基本原理可能有助于解決制造更堅固的多孔陶瓷的挑戰。


團隊的發現是出乎意料的。與其他海星物種一樣,多節星的骨骼由許多毫米大小的骨骼元素組成,稱為聽小骨。這些聽小骨與軟組織相連,使動物能夠靈活移動。李和他的團隊發現,每個聽小骨都是由一個微晶格結構構成的,這種結構非常均勻,可以用數學來描述,它由通過節點連接的分支組成,類似于埃菲爾鐵塔的結構。更有趣的是,研究小組發現,由于其原子排列整齊,微晶格的均勻結構本質上是原子水平的單晶結構。


“這種獨特的材料就像由一塊方解石單晶雕刻而成的周期性晶格,”李說?!斑@種近乎完美的微晶格在自然界中沒有報道過,也沒有合成制造過。大多數高度規則的晶格材料是通過將材料與小晶體結合以形成復合材料制成的,但這是新的。它是作為單件生長的?!?/p>


這種結構允許海星在特定方向戰略性地加強其骨架,提供增強的保護。此外,動物似乎可以沿著選定的方向和特定區域加厚樹枝,以類似于人體具有改變其多孔骨骼的局部幾何形狀以適應身體活動的能力的方式提高其機械性能。在海星中,研究人員還發現該結構似乎改變了其設計的規則晶格圖案的區域,這一特征在微晶格斷裂時抑制了裂紋擴展。


生物礦化專家、大學特聘教授、弗吉尼亞理工大學地球科學系 CP Miles 科學教授 Patricia Dove 表示,這一生物發現可能會對生物啟發式創新領域產生重大影響。


“生活在高度掠奪性海底環境中的海星和其他棘皮動物正在揭示一個對生存至關重要的材料創新世界,”多夫說?!皟H使用海水和一些有機成分,生物學就可以指導顯著骨骼的形成,例如海星中的骨骼。這項對潛在機械工程特性的新穎研究具有作為新材料設計前沿的巨大潛力?!?/p>


標簽:今日頭條,產品資訊,建材應用,技術中心,成品材料,建筑施工,瓷磚陶瓷,裝修施工
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