研究团队受骨骼启发研制出更坚硬的混凝土

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受人类骨骼坚硬外层结构的启发，普林斯顿大学的工程师开发出了一种水泥基材料，其抗损伤能力比标准材料高出 5.6 倍。这种仿生设计使该材料能够抵抗开裂并避免突然失效，而不像传统的脆性水泥基材料。
在《先进材料》杂志的一篇新文章中，由土木与环境工程助理教授 Reza Moini和三年级博士生 Shashank Gupta 领导的研究小组证明，采用管状结构部署的水泥浆体可显著增强抵抗裂纹扩展的能力，并提高变形而不突然失效的能力。
古普塔说：“设计脆性建筑材料所面临的挑战之一是它们会以突然、灾难性的方式失效。”
对于建筑和民用基础设施中使用的脆性建筑材料，强度确保其承受负荷的能力，而韧性则有助于抵抗结构开裂和损坏扩散。所提出的技术通过制造一种比传统材料更坚韧且保持强度的材料来解决这些问题。
莫伊尼表示，改进的关键在于有针对性地设计内部结构，平衡裂纹前沿的应力和整体机械响应。
他说：“我们利用断裂力学和统计力学的理论原理，通过设计来改善材料的基本性能。”
该团队的灵感来自人类皮质骨，皮质骨是人类股骨的致密外壳，可提供强度并抵抗骨折。皮质骨由椭圆形管状组件（称为骨单位）组成，这些组件微弱地嵌入有机基质中。这种独特的结构可使裂纹绕过骨单位。古普塔说，这可防止突然断裂并提高对裂纹扩展的整体抵抗力。
该团队的仿生设计在水泥浆体中加入了圆柱形和椭圆形的管子，与扩展的裂缝相互作用。
“人们预计，当加入空心管时，这种材料的抗裂性会降低，”莫伊尼说。“我们了解到，通过利用管的几何形状、尺寸、形状和方向，我们可以促进裂纹与管的相互作用，从而增强一种特性，而不会牺牲另一种特性。”
研究小组发现，这种增强的裂纹-管相互作用会启动一种逐步增韧机制，其中裂纹首先被管捕获，然后被延迟扩展，从而导致每次相互作用和步骤中都会产生额外的能量耗散。
“这种逐步机制的独特之处在于，每个裂纹扩展都受到控制，从而防止突然发生灾难性故障，”古普塔说。“这种材料不会一下子全部断裂，而是可以承受渐进式损坏，从而使其变得更加坚韧。”
与通过添加纤维或塑料来增强水泥基材料的传统方法不同，普林斯顿团队的方法依赖于几何设计。通过操纵材料本身的结构，他们无需添加额外的材料即可显著提高韧性。
除了提高断裂韧性之外，研究人员还引入了一种新方法来量化无序度，这是设计中的一个重要量。基于统计力学，该团队引入了参数来量化结构材料的无序度。这使得研究人员能够创建一个反映结构无序度的数值框架。
研究人员表示，新框架可以更准确地表示材料的排列，从有序到随机，超越了简单的周期性和非周期性二元分类。莫伊尼表示，这项研究区分了将不规则性和扰动与统计紊乱相混淆的方法，例如 Voronoi 镶嵌和扰动方法。
“这种方法为我们提供了一个强大的工具来描述和设计具有定制无序度的材料，”Moini 说。“使用增材制造等先进的制造方法可以进一步促进更无序、机械性能更佳的结构的设计，并允许将这些管状设计扩大到使用混凝土的民用基础设施组件。”
研究团队最近还开发了使用机器人和增材制造技术 实现高精度的技术。通过将这些技术应用于新架构以及管道内硬质或软质材料的组合，他们希望拓展其在建筑材料中的应用可能性。
“我们才刚刚开始探索各种可能性，”古普塔说。“有许多变量需要研究，例如将无序程度应用于材料中管子的大小、形状和方向。这些原理可以应用于其他脆性材料，以设计出更耐损伤的结构。”