中国科大揭示非均质结构中三维扭曲裂纹的形成与增韧机制

非均匀介质的裂纹前沿形貌与扩展预测在众多工程应用中具有重要意义，然而如何设计出非均质结构，以调控裂纹扩展路径实现材料的增韧依然面临挑战。尽管均质材料内二维平直裂纹扩展被线弹性断裂力学很好地表征，但是非均质材料内三维曲折裂纹扩展规律与增韧机制，目前还知之甚少。近日，中国科学技术大学倪勇教授、何陵辉教授研究团队与合作者揭示了仿生非均质结构调控的三维扭曲裂纹的形成与扩展规律以及增韧机制，发现了仿生扭转纤维结构内混合断裂模式导致的三维螺旋裂尖几何及其非线性增韧效应，提出了组分性质和结构取向调控的三维螺旋裂尖几何增韧的优化设计方案。相关研究成果以“Distorting Crack-front Geometry for Enhanced Toughness by Manipulating Bioinspired Heterogeneity”为题发表在国际著名学术期刊Nature Communications上。

图1.非均质结构材料中的扭曲裂纹前沿几何及其增韧效应

与均质材料中二维平直裂纹前沿扩展不同，非均质材料内裂纹前沿扩展会与非均质结构相互作用而被扭曲成三维曲折裂尖构型，从而极大提升裂纹扩展阻力（图1a-c）。然而，由于三维曲折裂纹前沿几何与局部非均质结构间的强耦合非线性相互作用，非均质性、裂尖几何与断裂韧性间的关联机制仍不清楚，调控非均质结构增强抗断裂性能的研究还处于试错探索阶段。近年来，设计仿生非均质结构提升材料断裂韧性引起了广泛关注，其中，生物骨骼、鳞片等内部的扭转纤维结构是极具代表性的非均质系统，表现出三维曲折裂纹形貌和优异抗断裂性（图1d）。然而，仿生扭转纤维结构断裂的已报道研究多假设裂纹前沿保持笔直构型逐层扩展，忽略了裂纹前沿几何的三维曲折特征及其导致的额外增韧效应。

图2.非均质结构特征调控的螺旋裂尖几何和非线性增韧机制

针对上述问题，研究人员以仿生扭转纤维结构作为代表性非均质系统模型，通过3D打印样品的断裂测试表征，发现了局部结构取向关联的三维螺旋状裂尖构型（图1e-f）。系统的模拟和理论分析表明（图2a-c），非均质结构影响裂纹前沿的驱动力并引发了空间位置依赖的I+II+III型混合断裂模式，裂尖的协同偏折与扭转导致螺旋裂尖几何的形成，裂尖几何、断裂韧性与纤维取向之间存在非线性关联规律，与线性增韧规律的对比表明裂纹三维扭曲几何存在额外的增韧效应。最后，研究人员提出了优化组分性质和结构取向实现三维螺旋裂尖扩展、提升材料抗断裂性能的设计方案（图2d）。

该工作不仅揭示了生物非均质结构材料内三维曲折裂纹几何增韧的物理机制，而且为仿生抗断裂非均质结构材料的增韧设计提供了创新思路。

中国科学技术大学工程科学学院吴开金特任副研究员为该论文的第一作者，倪勇教授为通讯作者。合作者包括加州大学圣地亚哥分校宋兆强博士，中国科学技术大学何陵辉教授、俞书宏院士、陈思铭副研究员、刘孟其博士和王泽文博士。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和中科大青年创新重点基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55723-8

（工程科学学院、科研部）

标签：材料  结构  曲折