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工學院韋小丁研究員課題組成功建立仿生複合材料的嚴格斷裂力學理論模型

2020-09-22

自然界生物材料通過精巧的微觀結構設計來獲得優異的機械性能,包括高的比強度和斷裂韌性。例如貝殼類生物中的珍珠母是一種天然的納米複合材料,由占體積95%的強度高但脆性明顯的礦物質以及占體積5%的柔韌有機蛋白質通過“磚牆”結構組成。實驗發現珍珠母的斷裂韌性比純相礦物質高出3000倍以上。雖然研究人員已經開始在人造材料中引入類似的微觀結構並獲得了顯著的材料力學性能提升,但是之前一直缺乏針對具有多層級結構的生物複合材料建立的嚴格斷裂力學理論模型。

近日,免费开户送58元体验金_开户免费送白菜娱乐网_八大胜开户网址_开户送体验金app下载_乐城开户送38元体验金力學與工程科學係韋小丁研究員課題組利用“漁網”多尺度方法為具有磚牆結構的生物複合材料建立起一套嚴格的斷裂力學理論框架。理論發現由於存在微觀結構的效應,生物複合材料中I型裂紋裂尖附近的位移場與均質理想彈塑性介質中III型裂紋裂尖的位移場具有相同的數學形式。通過理論分析,課題組首次獲得了具有磚牆結構複合材料的I型裂紋裂尖的塑性區以及裂紋阻力曲線等問題的解析解(圖1)。這一研究有助於研究人員深入理解仿生複合材料的獨特斷裂力學行為,並幫助設計新一代、具有更加優異力學性能的仿生複合材料。


圖1. 具有磚牆微觀結構的複合材料l型裂紋尖端具有和均質理想彈塑性介質中III型裂紋尖端相似的塑性區分布特征

相關工作發表在固體力學領域旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上(https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104157),劉俊傑博士和於中良博士為該論文的共同第一作者。此項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士後科學基金和北京大學工程科學與新興技術高精尖創新中心的支持。