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学研汇 技术中心

2023-07-14

特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

脆性材料作为结构或功能部件广泛应用于航空航天、组织工程、电子等各个领域。然而，人工脆性材料对微裂纹和不易察觉的缺陷十分敏感，从而承受着长期循环载荷引起的累积疲劳损伤的风险，最终可能导致灾难性的失效。在这方面，生物体会产生坚硬的生物矿物，如珍珠层、骨骼和牙齿，其抗疲劳能力大大提高，但仍保留了矿物天然的高强度和刚性。这些生物矿物中的疲劳损伤，如裂纹扩展，可以通过外部机制屏蔽，包括裂纹桥接、偏转和分支。

然而，人造抗疲劳材料的开发仍存在以下问题：

1、人造抗疲劳材料的发展仍需进一步扩展

虽然生物矿物启发了耐疲劳的人造材料，如坚韧的仿生陶瓷，但要扩大人造材料的范围，还需要揭示更多不同的设计原则。例如，具有高柔韧性的材料。

2、现有的抗疲劳模型柔性不足且存在裂纹扩展等不可逆损害

现有的抗疲劳模型来源于非常坚硬的生物矿物，对柔性材料的设计是无效的，且这些模型的疲劳容限在很大程度上依赖于裂纹扩展过程中r曲线的上升行为，而裂纹扩展会对器件性能产生不可逆的影响。

双壳类动物的铰链在其一生中可以承受数十万次重复的启闭运动。有鉴于此，中科大/南科大俞书宏院士、中科大吴恒安教授、茅瓅波副研究员等人研究了双壳贝类褶纹冠蚌铰链中矿化组织的分层设计，使组织具有可变形性和抗疲劳性，从而奠定了重复运动能力的基础。这种折叠的扇形组织由嵌入弹性基质中的径向排列的脆性文石纳米线组成，可以将外部径向载荷转化为周向变形。软硬复合微观结构可以抑制组织内的应力集中。沿纳米线纵向方向的相干纳米孪晶界增加了其抗弯曲断裂的能力。这种不寻常的生物矿物通过多尺度结构设计利用了每种成分的固有特性，为抗疲劳结构材料的发展提供了见解。

技术方案：

1、表征了双壳褶皱冠蚌铰链处宏观结构和力学性能

作者报道了双壳褶皱冠蚌铰链处可变形钙质组织的抗疲劳设，将材料结构分为折叠扇形区域(FFR)和外韧带(OL)两个区域，揭示两个铰链区域在ROAC运动中的作用。

2、分析了褶皱冠蚌铰链微观结构和晶体学特征

作者对褶皱冠蚌铰链显微组织和晶体学特征进行了分析，表明FFR断裂面呈同心层状结构，且生成方向与结晶方向相匹配。

3、探究了FFR的变形性和抗疲劳性的来源

作者从FFR中提取了一个代表性的RVE，并模拟了其对不同方向负载的响应，表明其机械有利取向、热力学有利取向和实际纳米线晶体生长方向具有良好的一致性。优化的FFR微观结构和晶体学特征是FFR长期功能性能的基石。

4、提出了结构材料的抗疲劳设计

作者分析研究了FFR中某些微畴的应力状态，结合有限元分析结果表明软硬复合结构的变形相容性可以有效抑制FFR的疲劳损伤，为抗疲劳结构材料设计提供了依据。

技术优势：

1、成功揭示了双壳纲褶纹冠蚌铰链内的可变形生物矿物硬组织的耐疲劳机制

作者耦合了力学测试和显微镜观察揭示了褶纹冠蚌铰链FFR的层级结构设计，层级结构的协同作用增强了材料的耐疲劳性和使用寿命。

2、提出了一种多尺度结构设计与成分固有特性相结合的耐疲劳设计新策略

作者基于褶纹冠蚌铰链的层级结构，制造了一种概念验证的玻璃聚合物复合材料，取得了与FFR相似的各向异性力学行为和良好的抗疲劳性能，为设计含有脆性成分的结构材料(如陶瓷)提供了一个多尺度模型。

技术细节

宏观结构和力学性能

作者报道了双壳褶皱冠蚌铰链处可变形钙质组织的抗疲劳设计。这种组织在壳阀数十万次的重复打开和关闭(ROAC)运动中表现出高变形性和优异的抗疲劳性。在新鲜制备的褶皱冠蚌样品上进行了循环加载试验，在自然工作条件下经过150万次循环，也没有观察到明显的疲劳失效。重建的X射线显微计算机断层扫描(mCT)图像显示铰链处的电子密度分布不均匀，被多孔组织和两个板状区域包围: FFR和OL。元素映射图像显示从OL到FFR的钙浓度急剧增加。作者揭示了两个铰链区域在ROAC运动中的作用，作为致密和相对坚硬的钙质组织， FFR承受很大的径向载荷来支撑OL，同时在阀门的ROAC运动过程中承受很大的周向变形，而不会产生疲劳失效。

图  铰链的结构特点和力学性能

图  ROAC运动的传递关系

微观结构和晶体学特征

为了褶皱冠蚌铰链其力学性能和抗疲劳性能的机理，对其显微组织和晶体学特征进行了分析。FFR断裂面呈同心层状结构，每一层由紧密排列和堆叠的长纳米线组成，在整个区域呈径向取向，测量表明从纳米线层的内部到外部，直径逐渐增加。这种层状结构和不同的纳米线直径可以帮助FFR适应纳米线的空间填充模式。对FFR样品进行脱钙，残余物显示出典型的蜂窝状结构，表明文石纳米线嵌入在连续的有机基质中。

图  FFR中文石纳米线的微观结构和晶体学特征

变形性和抗疲劳性的来源

为了研究文石纳米线的形态和晶体取向在功能中的作用，从FFR中提取了一个代表性的体积元(RVE)，并模拟了其对不同方向负载的响应。作者发现在与纳米线垂直的方向上， RVE的模量相对较低，容易变形。在与纳米线平行的方向上，即FFR中的径向，RVE可以在有限变形的情况下传递较大的载荷。机械有利取向、热力学有利取向和实际纳米线晶体生长方向具有良好的一致性。因此，尽管在纳米线生长方向上以一种经济有效的方式制造了FFR，但为了获得良好的周向变形能力和径向载荷转换能力，FFR的微观结构和晶体学特征也得到了优化，这两者都是FFR长期功能性能的基石。

图  纳米线的原位应力状态分析

抗疲劳设计

作者利用高分辨率同步加速器X射线衍射研究了FFR中某些微畴的应力状态。每根文石纳米线沿纵向承受较大的径向载荷。然而，尽管FFR在周向上承受了较大的变形，但其沿该方向的弹性模量较小，并且是有机基体承担了大部分变形。在壳体的使用寿命期间，ROAC运动可以实现数十万次，因此在不同方向上发挥不同功能的FFR也必须具有抗疲劳性。抗断裂的有机基质包裹在每根纳米线周围，可以防止脆弱的纳米线弯曲和断裂。有限元分析结果表明:这种软硬复合结构的变形相容性可以有效降低文石纳米线脆性断裂的可能性，从而抑制FFR的疲劳损伤。此外，纳米孪晶界的形成在防止纳米线在循环应力状态下断裂方面起着关键作用。

图  典型生物和人工结构材料的抗疲劳设计

总之，作者揭示了褶纹冠蚌铰链FFR的层级结构设计，从宏观尺度层面到晶格层面。这种设计并不是孤立的抗疲劳机制的简单累加；相反，各方面协同发挥作用。FFR显著的可变形性和载荷转换能力源于分层结构，这是任何仅在几个长度尺度上起作用的特定机制都无法实现的。FFR的功能性和抗疲劳性的结合说明了如何通过利用每个组件的固有特性来延长材料的使用寿命。作者还制造了一种概念验证的玻璃聚合物复合材料，这种复合材料表现出与FFR相似的各向异性力学行为和良好的抗疲劳性能。这种生物矿物为设计含有脆性成分的结构材料(如陶瓷)提供了一个多尺度模型，但同时需要变形性和抗疲劳性。

参考文献：

XIANG-SEN MENG, et al. Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata. Science, 2023, 380(6651): 1252-1257

DOI: 10.1126/science.ade2038

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2038