麻省理工学院的研究人员探讨了海螺壳背后的秘密。该研究结果报告了MIT研究生Grace Gu（右），Postdoc Mahdi Takaffoli（左）和工程Markus Buehler教授的新研究。图片信用：Melanie Gonick / MIT
海洋生物的壳因暴风雨和潮汐，岩石峡湾和尖锐的捕食者而受到影响的影响。但随着最近的研究表明，一种壳体在其韧性之上的所有其他壳体上方脱颖而出：胆量。
现在，麻省理工学院的研究人员已经探索了这些贝壳非凡的抗冲击能力背后的秘密。他们已经证明，这种优越的强度可以在工程材料中复制，有可能提供有史以来最好的防护头盔和防弹衣。
研究结果发表在该杂志上先进的材料麻省理工学院研究生Grace Gu、博士后Mahdi Takaffoli和McAfee工程教授Markus Buehler在一篇论文中写道。
朱谢“拥有这种真正独特的建筑，”顾说明。该结构使得材料比珍珠蛋白更加艰难，通常称为珍珠母。这种韧性或对骨折的抵抗力来自基于材料内部结构中的三个不同层次的三种不同层次的配置。
他说，这种三层结构使得任何微小的裂缝都很难扩散和扩大。她说，这种材料有一个“之字形矩阵，所以裂缝必须通过一个类似迷宫的地方”才能扩展。
直到最近，即使在建议壳的结构之后被理解，“你无法康复。但是现在，我们的实验室开发了三维打印技术，使我们能够复制该结构并能够测试它，“民间和环境工程系负责人表示。
该项目涉及的一部分创新是团队对材料的行为进行模拟，并在现实条件下分析其实际性能。“在过去，大量测试[保护材料]是静态测试，”顾说明。“但是，对于军事用途或运动的许多申请涉及高度动态的装载，”这需要详细地检查影响随着时间的推移如何蔓延的影响。
在这项工作中，研究人员在一个掉落的塔中进行了测试，使他们能够准确地观察裂缝是如何在撞击后的第一时间出现和扩展的——或者没有扩展的。比勒说:“模型和实验结果惊人地一致。”
这在一定程度上是因为该团队能够3d打印具有精确控制结构的复合材料，而不是使用真实外壳的样品，因为真实外壳可能存在不可预测的变化，从而使分析复杂化。通过打印样本，“我们可以使用与计算机模拟完全相同的几何形状”，“我们得到了非常好的一致。”现在，在继续工作的过程中，他们可以专注于做一些细微的变化，“作为未来优化的基础，”比勒说。
为了测试这三个层次结构的相对重要性，该团队尝试用不同层次的材料制作不同的变体。通过在复合材料中加入较小的长度尺度特征，就像在实际的海螺壳中一样，可以引入更高层次的层次。果然，较低层次的结构被证明明显弱于本研究中所追求的最高层次，后者由天然海螺壳固有的跨层特征组成。
试验证明，在预防最强的基材的裂缝扩展中，具有果皮样的几何形状，易怒的特征比最强的基础材料更好，比传统的纤维复合装置更好，70％更好。
防护头盔和其他抗冲击齿轮需要强度和韧性的关键组合，比勒解释说。强度指的是一种材料抵抗破坏的能力，例如，钢就有这种能力。另一方面，韧性是指材料耗散能量的能力，就像橡胶一样。传统的头盔采用金属外壳来增强强度，并采用柔性内衬，既舒适又耗能。但在新的复合材料中，这种品质的组合分布在整个材料中。
“这具有刚度，如玻璃或陶瓷，”Buehler说，但由于材料在复合结构中的不同程度和柔韧性的融合的整合，因此缺乏这些材料的脆性。与胶合板一样，复合材料由其材料的“谷物”或其材料内部对准的层组成，与下一个层不同。
由于使用了3d打印技术，该系统将使生产个性化头盔或其他防弹衣成为可能。例如，每一顶头盔都可以“定制和个性化;电脑会根据你的头骨扫描结果为你优化，头盔也会为你打印出来，”顾说。
这些研究人员“巧妙地使用了3-D印刷和实验来阐明材料层次对Bioinspired复合材料的影响，”西北大学理论和应用力学计划教授Horacio Espinosa表示，他们没有参与这项工作。“一个有趣的剩余问题，”他说，“龟壳设计的适用性是那些在头盔中遇到的弯曲表面。”
这项研究得到了海军研究办公室、国防科学和工程研究生奖学金、国防大学研究仪器计划(DURIP)、士兵纳米技术研究所(ISN)和加拿大自然科学和工程研究委员会的支持。
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