Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical M 仿生空间填充分形超材料

文摘   2025-01-24 12:01   广西  

受具有时空形态变化的哺乳动物颅缝线的启发,设计了两相空间填充分形超材料。采用多材料聚合物喷射法制造了不同复杂程度的设计。通过机械试验和系统有限元(FE)仿真来评估这些设计的机械性能。结果发现,两相空间填充分形超材料的层次数N对其力学行为起着重要作用。实验结果表明,随着分层数N的增加,这些超材料在拉伸试验中表现出增强的刚度、强度和韧性。从模拟结果中,我们发现通过解耦两相的应变能密度,随着氮含量的增加,软相贡献的能量水平几乎相同,而硬相贡献了能量水平的增加。此外,我们发现硬相的体积分数和刚度比决定了这些两相空间填充分形超材料的整体力学性能。生物生机械超材料在耗散能量耗散、减冲击、延缓损伤的工程材料中具有广泛的应用。


在本文中,我们受鹿颅骨缝合线复杂微观结构的启发,设计了一种新的空间填充分形超材料家族。这些新的设计是由一个数学分形的空间填充曲线-希尔伯特曲线的层次数,N表示结构的层次/分形层次。我们使用我们的多材料3D打印机来制造这些N从3到5的复合结构。进行了拉伸试验来测试它们的力学性能。我们发现,随着层次的增加,这些缝合复合材料显示出增强的刚度、强度和弹性。研究层次数、多材料刚度比和各相体积分数对这些缝合复合材料整体力学性能的影响。我们对各种设计和组成材料的特性进行了系统的模拟。我们发现,随着较高的刚度比和体积分数的提高,硬相将提高硬相的刚度和强度。然而,弹性与每个阶段的体积分数无关。我们的模拟结果可以预测出与实验结果相吻合的力学性能。一般来说,这些空间填充的分形超材料是一种新颖的材料设计,有潜力提供各种应用,包括能量吸收材料、抗冲击材料和多功能材料。





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