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普林斯頓工程師開發出新型超韌水泥強度提高5.6倍

文章來源：新能源網更新時間：2024-09-20 16:39:06

普林斯頓大學的工程師們通過模仿人體骨骼的結構，創造出了一種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筑材料。

這種結構可防止裂紋擴展，并增強材料的韌性。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，創造出一種水泥基材料。這種生物啟發設計的抗破壞性是傳統材料的 5.6 倍，能夠更好地抵御開裂，防止突然失效，而這正是傳統脆性水泥基材料的常見問題。

在最近發表于《先進材料》（Advanced Materials）雜志上的一項研究中，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，采用管狀結構的水泥漿可以顯著提高抗裂紋擴展的能力，并改善變形能力而不會突然失效。

古普塔說："脆性建筑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。在建筑和民用基礎設施中使用的脆性建筑材料中，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。為解決這些問題，我們提出了一種既能保持強度，又比傳統材料更堅韌的材料。"

Moini 說，改進的關鍵在于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，'通過設計'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筑材料。圖片來源：Sameer A. Khan / Fotobuddy

研究小組的靈感來自人類的皮質骨，這是人類股骨的致密外殼，可以提供強度并防止骨折。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，并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，通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。"

研究小組發現，這種增強的裂紋與管材的相互作用啟動了一種階梯式增韌機制，裂紋首先被管材阻擋，然后延遲擴展，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于，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

與通過添加纖維或塑料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于幾何設計。通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，這是設計的一個重要指標。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，研究人員就能創建一個反映結構無序程度的數值框架。

研究人員說，新框架更準確地描述了材料的排列，超越了周期性和非周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，用于描述和設計具有定制無序程度的材料，"Moini說。"使用先進的制造方法（如增材制造）可以進一步促進更無序和機械性能更佳的結構設計，并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"。

研究團隊最近還開發出了利用機器人技術和增材制造技術實現高精度的技術。通過將這些技術應用于新的結構以及管內軟硬材料的組合，他們希望進一步擴大建筑材料的應用范圍。

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

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