普林斯頓大學的工程師們透過模仿人體骨骼的結構，創造出了更堅韌的水泥基材料。這種材料利用管道控制裂紋擴展，在不添加外部材料的情況下增強了抗破壞性。這項創新可為民用基礎設施提供更堅固的建築材料。

這種結構可防止裂紋擴展，並增強材料的韌性。圖片來源：Sameer A. Khan／ Fotobuddy

普林斯頓大學的工程師們從人類骨骼堅韌的外層汲取靈感，創造出水泥基材。這種生物啟發設計的抗破壞性是傳統材料的5.6 倍，能夠更好地抵禦開裂，防止突然失效，而這正是傳統脆性水泥基材料的常見問題。

在最近發表於《先進材料》（Advanced Materials）雜誌上的一項研究中，由土木與環境工程系助理教授Reza Moini 和博士三年級學生Shashank Gupta 領導的研究小組證明，採用管狀結構的水泥漿可以顯著提高抗裂紋擴展的能力，並改善變形能力而不會突然失效。

古普塔說：『脆性建築材料的工程難題之一是它們會以一種突然的、災難性的方式失效。在建築和民用基礎設施中使用的脆性建築材料中，強度確保了承受載荷的能力，而韌性則支持結構抗開裂和抗破壞擴散的能力。

Moini 說，改進的關鍵在於有目的地設計內部結構，平衡裂縫前端的應力和整體機械響應。利用斷裂力學和統計力學的理論原理，’透過設計’改善材料的基本特性。

研究人員Reza Moini（左）和Shashank Gupta 創造出更堅固耐用的建築材料。圖片來源：Sameer A. Khan / Fotobuddy

研究小組的靈感來自人類的皮質骨，這是人類股骨的緻密外殼，可以提供強度並防止骨折。皮質骨由被稱為”骨子”的橢圓管狀成分組成，它們被薄弱地嵌入有機基質中。這種獨特的結構使骨質周圍的裂縫發生偏轉。古普塔說，這可以防止突然斷裂，並增加裂紋擴展的整體阻力。

研究小組的生物啟發設計在水泥漿中加入了圓柱形和橢圓形管子，這些管子與不斷擴展的裂縫相互作用。

Moini 說：”當加入空心管時，人們預計材料的抗開裂性會降低。我們了解到，透過利用空心管的幾何形狀、尺寸、形狀和取向，我們可以促進裂縫與空心管之間的相互作用，從而增強一種性能，而不會犧牲另一種性能。

研究團隊發現，這種增強的裂縫與管材的相互作用啟動了一種階梯式增韌機制，裂縫首先被管材阻擋，然後延遲擴展，從而在每一次相互作用和每一個階梯中都產生額外的能量耗散。

古普塔說：『這種循序漸進機制的獨特之處在於，每條裂紋的延伸都受到控制，從而避免了突然的災難性破壞。材料不會一下子斷裂，而是能夠承受漸進式的破壞，從而變得更加堅韌。

解決韌性和失調問題的創新方法

與透過添加纖維或塑膠來強化水泥基材料的傳統方法不同，普林斯頓大學團隊的方法依賴幾何設計。透過操縱材料本身的結構，他們在不需要額外材料的情況下顯著提高了材料的韌性。

除了提高斷裂韌性，研究人員還引入了一種量化無序程度的新方法，這是設計的重要指標。在統計力學的基礎上，研究小組引入了參數來量化結構材料的無序程度。這樣，研究人員就能創造一個反映結構無序程度的數值架構。

研究人員說，新框架更準確地描述了材料的排列，超越了週期性和非週期性的簡單二元分類，而轉向從有序到隨機的光譜。這項研究與那些將不規則性和擾動與統計無序混為一談的方法（如Voronoi tessellation和擾動方法）有所區別。

“這種方法為我們提供了一種強大的工具，用於描述和設計具有定制無序程度的材料，”Moini說。 “使用先進的製造方法（如積層製造）可以進一步促進更無序和機械性能更佳的結構設計，並允許將這些管狀設計擴大到民用基礎設施的混凝土構件中”。

研究團隊最近也開發了利用機器人技術和積層製造技術實現高精度的技術。透過將這些技術應用於新的結構以及管內的軟硬材料組合，他們希望進一步擴大建築材料的應用範圍。

“我們才剛開始探索各種可能性，”古普塔說。 “還有許多變數需要研究，例如將無序程度應用於材料中管子的大小、形狀和方向。這些原理可以應用於其他脆性材料，從而設計出更抗破壞的結構。”

編譯自/ scitechdaily