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Concentric brick-and-mortar architecture: beyond planar nacre-mimics

同心的 平面的 韧性 材料科学 复合材料 打滑(空气动力学) 结构工程 压力(语言学) 极限抗拉强度 聚合物 巴黎法 平面(几何) 应力集中 机械强度 断裂韧性 建筑 纳米技术 疲劳试验 制作 工作(物理) 疲劳极限 结构强度的尺寸效应
作者
Qingsheng Zeng,Jia-Hao Su,Shiyu Zhang,Shi-Jie Lu,Li-Zhu Mou,Meng-Yuan Gu,Xiang Zhang,Kang-Kang Tao,Zhao Pan,Yinbo Zhu,HengAn Wu,Xiaohao Sun,Duohong Zou,Huai‐Ling Gao
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
标识
DOI:10.1093/nsr/nwag681
摘要

Abstract The brick‑and‑mortar (BM) architecture of natural nacre is a classic paradigm for biomimetic materials combining strength and toughness. However, conventional planar BM (PBM) architectures exhibit pronounced anisotropy; their direction-dependent weakness compromises structural reliability under complex multi-directional stresses. Here, we introduce a concentric BM (CBM) architecture, with microplatelets circumferentially aligned in a polymer matrix. This design spatially redistributes the weak interlamellar direction axisymmetrically, leaving no globally aligned weak plane and enhancing strength and toughness across multiple loading modes. These gains arise from improved stress homogenization, suppressed interfacial slip and delamination, and energy-dissipative multi-directional crack propagation. Notably, fatigue life under cyclic flexure exceeds that of the PBM counterpart by over three orders of magnitude (>10³-fold) at equal stress. By reconfiguring the PBM motif into a CBM architecture while preserving its strength–toughness synergy, this work provides a biomimetic design strategy for rod-shaped structural components subjected to multi-directional loading.

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