浙江大学柏浩课题组《Adv. Mater.》:受墨鱼骨启发的新型多孔材料

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具有轻质高强、减震吸能、隔热隔音等优异性能的多孔材料在航空航天、轻量化军事装备等方面都有广泛应用。然而，目前人工合成的多孔材料，在结构复杂性和性能优越性方面远仍落后于竹子、骨骼、木材等许多天然生物多孔材料。向自然学习，通过模仿天然生物材料的结构特征并理解其优异性能的潜在机制将有助于设计下一代高性能多孔材料。

墨鱼是海洋里游速最快的无脊椎动物，在海水中游泳的速度通常可达每秒15米以上，最大时速可达150公里，被称为“水中火箭”。天然墨鱼骨作为一种轻质高强的多孔材料，具有90%以上的孔隙度，但却能承受水下100到400米的静水压，且在墨鱼复杂的运动过程中仍能保持机械稳定性。浙江大学柏浩课题组受天然墨鱼骨结构启发，设计制备了轻质、高强并且具有高能量吸收能力的新型多孔材料。该仿墨鱼骨材料能够承受超过自身5万倍的重量。该研究为利用生物启发3D打印设计和制造高性能多孔材料提供了一种有效的方法。

该团队通过micro-CT发现天然墨鱼骨为层状结构，层间由不对称波浪壁连接。天然墨鱼骨的层层断裂方式使其具有零泊松比的性质，这种失效方式有利于墨鱼骨避免整体性破坏，保持结构稳定性（如图1）。

图1：天然墨鱼骨的结构与力学性能。(a, b) 天然墨鱼及墨鱼骨光学照片；(c) SEM照片显示天然墨鱼骨为层状多孔结构，层间由均匀分布的墙壁隔开；(d) 由micro-CT图像重建的天然墨鱼骨的三维结构，显示平行的层板由不对称的s形波浪壁支撑；(e-f) 腹部侧和脊背侧的横截面显示出墙壁的不对称性；(g) 墨鱼骨的压缩曲线显示出长平台期，层层断裂机制使其具有零泊松比和高能量吸收性能。

通过不同模型的对比，发现天然墨鱼骨的不对称波浪壁结构可以同时实现高抗压缩和抗剪切的性能。波浪壁结构的压缩强度为直壁结构的10倍。不对称波浪壁结构的剪切强度为对称波浪壁结构的2倍（图2）。

图2：仿生模型的制备、测试及模拟。(a-c) CAD设计的仿生模型；（d-f）3D打印模型的光学图；(g-i) 仿生模型的有限元模拟；(j, k) 压缩与剪切测试结果。

此外，该团队设计的仿墨鱼骨多层结构材料也显示出类似于天然墨鱼骨的层层断裂方式，证明了层状结构有助于提高能量吸收能力，且可防止整体性破坏（图3）。

图3：仿墨鱼骨结构多孔材料与其他多孔材料的对比。(a) 3D打印多层仿墨鱼骨结构材料的压缩测试光学图；(b-e) 3D打印仿墨鱼骨材料与其他点阵多孔材料光学照片；(f) 四种结构的压缩应力-应变曲线对比；(g)比强度和能量吸收性能对比。

该工作揭示了天然墨鱼骨的复杂层状波浪壁结构对于同时获得高孔隙率和优异力学性能的重要作用，为设计和制造高性能多孔材料提供了新的策略。

以上成果发表在Advanced Materials（Adv. Mater. 2021, 2007348）。博士生茅安然为第一作者，柏浩研究员为通讯作者，其他作者包括博士后赵妮芳和博士生梁亚辉。该研究同时得到了浙江大学航空航天学院陈彬教授的指导。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202007348

柏浩课题组网站：

https://person.zju.edu.cn/bai/

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