Betholletia excelsa Fruit: Unveiling Toughening Mechanisms and Biomimetic Potential for Advanced Materials

材料科学 复合材料 韧性 增韧 纤维 各向异性 扫描电子显微镜 刚度 偏转(物理) 断裂力学 光学 物理
作者
Marília Sônego,Anneke Morgenthal,Claudia Fleck,Luiz Antônio Pessan
出处
期刊:Biomimetics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:8 (7): 509-509
标识
DOI:10.3390/biomimetics8070509
摘要

Dry fruits and nutshells are biological capsules of outstanding toughness and strength with biomimetic potential to boost fiber-reinforced composites and protective structures. The strategies behind the Betholletia excelsa fruit mechanical performance were investigated with C-ring and compression tests. This last test was monitored with shearography and simulated with a finite element model. Microtomography and digital and scanning electron microscopy evaluated crack development. The fruit geometry, the preferential orientation of fibers involved in foam-like sclereid cells, promoted anisotropic properties but efficient energy dissipating mechanisms in different directions. For instance, the mesocarp cut parallel to its latitudinal section sustained higher forces (26.0 ± 2.8 kN) and showed higher deformation and slower crack propagation. The main toughening mechanisms are fiber deflection and fiber bridging and pullout, observed when fiber bundles are orthogonal to the crack path. Additionally, the debonding of fiber bundles oriented parallel to the crack path and intercellular cracks through sclereid and fiber cells created a tortuous path.
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