精心设计的螺旋微结构使得材料的断裂韧性达到超越珍珠母的水平（即实现各向同性的断裂韧性）

《Advanced Materials Technologies》：Architected Spiral Microstructures Enable Isotropic Fracture Toughness Beyond Nacre

仿生复合材料通过甲虫-like和六角螺旋微结构设计，结合多材料3D打印技术，实现了各向同性增韧。实验表明，甲虫-like结构在x和y方向的断裂韧性分别为5.2和2 kJ/m2，六角螺旋结构为5和5.5 kJ/m2，后者具有更接近各向同性的性能。相位场模拟揭示螺旋结构有效引导裂纹偏转和混合模式断裂。该成果为克服仿生复合材料各向异性提供了通用策略，适用于复杂载荷结构材料

　　

摘要

受珍珠母启发的材料通过分层结构表现出优异的断裂韧性，但其机械性能仍受到显著各向异性的限制。本文介绍了两种新型的仿生微结构——甲虫状结构和六角螺旋结构，这两种结构能够使微复合材料实现各向同性的韧性提升。利用多材料3D打印技术制备出相应的试样，并沿正交加载方向进行断裂测试。甲虫状结构在x方向和y方向上的临界断裂韧性分别为J? = 5.2 kJ/m2和2 kJ/m2，而六角螺旋结构的临界断裂韧性分别为J? = 5 kJ/m2和5.5 kJ/m2，显示出几乎不受方向影响的韧性表现。在x方向上，与珍珠母状结构相比，甲虫状结构和六角螺旋结构的断裂韧性分别提高了61%和56%。虽然甲虫状结构提高了方向韧性，但只有六角螺旋结构同时实现了强度的提升和近乎各向同性的断裂性能。相场断裂模拟揭示了螺旋几何形状如何促进裂纹偏转以及在不同方向上的混合模式断裂行为。这些发现为克服仿生复合材料中的各向异性提供了一种通用策略，并为在复杂加载条件下开发高性能结构材料提供了可靠的微观结构基础。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。