北航-武大-清华联手发顶刊综述:多层级复合材料力学研究进展!
【生物材料的多层级结构特点及“设计准则”】
1. 软硬物质的协同作用
2. 软基体对力学性能的影响
3. 缺陷不敏感性设计
4. 自然界的“设计准则”
多层级结构设计是提升复合材料性能的有效策略——多层级结构可以将纳米尺度材料的优异性能有效地传递到宏观尺度,而且可以极大地扩展材料的设计域。 “积木块”式结构是一种实用且极具潜力的多层级结构构筑模式——“积木块”式结构能够简化多层级结构设计且便于组装,是实现多尺度多层级设计的有效途径,当最小“积木块”尺寸达到纳米尺度时,材料的强度和缺陷不敏感性会显著提升。 微观结构的理性设计是每个层级设计的关键——合理的微观结构设计能够巧妙地引导载荷的分布和传递,从而使各组分材料“扬长避短、协同工作”,生物材料中的砖泥结构、螺旋结构、梯度结构等都可以作为人工复合材料微观结构的“设计库”。 软基体材料是提升抗压、抗冲击等性能的重要因素——不可压缩性、高粘性软基体材料能够大幅提升复合材料的力学性能,尤其是抗压性能、抗冲击性能、应力波衰减性能等。
【人工复合材料的多层级力学性能分析与结构设计】
1. 纤维增强复合材料:强度和韧性的多层级优化分析
2. 网络材料:纳米-宏观性能传递的多层级设计
3. 力学超材料:超常性能的多层级设计
【多层级复合材料力学面临的挑战】
设计更为精巧且易加工的微观结构——目前人工材料中能够实现的微观结构的精细程度远不及生物材料,限制了材料性能的进一步提升,为此有必要结合先进制造技术设计出一系列更为精巧且易加工的微观结构。 发展协同多尺度计算模型——多尺度力学模型是分析优化多层级复合材料的关键,尽管目前已有一些多层级的理论和数值模型得到了应用,但大多数都是自下而上的方法,无法考虑多个尺度之间的协同作用,因此有必要发展协同多尺度计算模型。 深入探究亚微米尺度的力学机理——在整个多层级、多尺度分析与设计中,宏观、细观尺度问题可以通过连续介质力学方法予以分析,纳米尺度可以通过分子动力学、第一性原理计算等方法进行研究,因此宏观和纳米尺度的问题研究相对比较深入;然而在亚微米尺度(~100 nm 到 ~1 mm),研究手段有待完善,许多力学机理有待深入研究。 完善多功能结构一体化设计——多层级复合材料除了具有优异的力学性能外,还具有便于多功能集成的优势;如何将诸多功能特性融合到多层级结构的设计中,是多功能一体化设计的关键问题,也是未来需要着重研究的方向。 发展基于人工智能的设计与优化方法——多层级复合材料优化参数远多于常规材料的优化参数,所以基于目前的理论或数值方法很难实现准确全面的优化设计;因此可以结合机器学习等人工智能技术发展设计与优化方法,对现有结构进行优化或设计新的结构。
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