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这种结构可防止裂纹扩展,并使材料更坚韧。图片来源:美国大众科学网
受人类骨骼坚硬外层结构的启发,美国普林斯顿大学工程师开发出一种新型混凝土,能抵抗开裂和突发性破坏,抗损伤能力比普通混凝土高出5.6倍。相关论文发表于新一期《先进材料》杂志。
在开发这种新型混凝土时,研究人员从人类密质骨中获得了灵感。这种人类股骨的致密外壳,由被称为骨单位的椭圆形管状结构组成。其形状和排列方式能在这些骨单位周围分散裂纹,防止它们在受到冲击时断裂。
为了浇筑这种仿生混凝土,研究人员用聚乙烯醇3D打印了一个管状模板模具。然后,他们将橡胶倒入模具中制作出该模板的底片。最后,他们将橡胶溶解以形成聚氨酯硅模具,并用它来浇筑混凝土。
凭借巧妙的仿生设计,新型混凝土的空心管可“捕捉”裂纹并阻止其进一步扩展。这与通过向混凝土中添加纤维、塑料等材料来增强其强度的方法截然不同。新方法能够控制每个裂纹的扩展使得材料不会一次性全部断裂,并能承受渐进性损伤,使材料变得更加坚固。
研究人员进行了三点弯曲测试和单边缺口弯曲测试。他们使用2毫米厚的金刚石锯片和剃刀在混凝土上切出缺口,并多次重复该过程,以收集有关材料断裂韧性的数据。结果表明,新型混凝土抗损伤能力比普通混凝土高出5倍以上。这不仅意味着建筑物更加安全,还可减少混凝土生产,对环境保护大有裨益。
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