北大韦小丁课题组揭示生物材料中精巧的缝合线结构与阻尼性能关系

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集高刚度、强度和优异阻尼性能于一体的高性能先进复合材料，在航空航天、能源和高速交通等领域有广泛的应用。然而，传统阻尼材料难以兼顾上述各类力学性能。相比之下，自然界的生物复合材料却通过微观结构设计实现了优异的刚度和强度等静态承载能力与阻尼性能的共存。例如，动物的头骨、啄木鸟喙、海龟壳、马齿苋种子等生物材料中，都发现了不同尺度的缝合线 (suture) 界面结构。

近日，北京大学工学院力学与工程科学系韦小丁研究员课题组通过理论分析，研究了缝合线结构对生物复合材料能量耗散的影响，建立了组分-结构-阻尼性能之间的内在联系，揭示了自然界的生物如何通过缝合线结构将结构承载单元精巧的连接，从而实现优异的结构承载性能与动态能量耗散性能的同步优化。研究发现，这一理论能够很好的解释不同的生物为何能够在漫长的进化过程中，演化出尺度各异的缝合线角度和幅值（图1）。

图1 理论成功揭示了自然界中从马齿苋种子到龟壳中发现的缝合线角度和几何尺寸在漫长的进化过程中收敛到最优值，从而优化其材料的结构承载能力与动态能量耗散性能。

课题组进一步通过多材料3D打印机实现并通过实验验证了，具有缝合线结构的仿生复合材料的优异结构承载和阻尼特性。这一设计理论模型，将为设计和制造具有优异静、动态力学性能的新一代先进结构复合材料提供指导。相关的工作发表在固体力学旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上，2015级博士生於中良为第一作者。此项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心的支持。

文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104010

来源：PKU力学微信公众号（ID：gh_e257ba782d10），作者：北大工学院力学系。