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Toughening mechanism of coelacanth-fish-inspired double-helicoidal composites

材料科学 增韧 复合材料 韧性 破损 极限抗拉强度 纤维 夏比冲击试验 分层(地质) 复合数 俯冲 古生物学 构造学 生物
作者
Sha Yin,Ruiheng Yang,Yao Huang,Weihua Guo,Dianhao Chen,Wen Zhang,Mingwei Ren,Yujing Zhou,Jun Xu
出处
期刊:Composites Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:205: 108650-108650 被引量:81
标识
DOI:10.1016/j.compscitech.2021.108650
摘要

Abstract The scales of coelacanth fish feature a rare double-helicoidal structure of collagenous fibrils, exhibiting great toughness. In this study, inspired by such biomaterials, engineering composite materials are designed and fabricated. Quasi-static three-point bending and Charpy impact tests are performed to evaluate their mechanical performance compared with the single-helicoidal counterparts (emulated from the Bouligand structure in Odontodactylus scyllarus). Multiple delaminations are observed in the double-helicoidal composites, which preclude tensile crack propagation and then prolong the failure displacement; meanwhile, for single-helicoidal composites, the fiber architecture at the mid-plane serves as a vital role for hindering translaminar cracks propagation across the mid-plane. The dynamic energy absorption of double-helicoidal composites can reach 163.44 kJ m−2, 26.5% greater than that of the corresponding single-helicoidal samples, which is attributed to the more complex failure modes including fiber breakage and matrix cracking that both contribute to energy absorption. Double-helicoidal composites are not sensitive to fiber orientations on failure mode and such attribute enables more design freedoms. Additionally, the interlaminar stress is analyzed, and a greater value of the interlaminar stresses σ13 is discovered to be responsible for the delamination of double-helicoidal composites. Results reveal the underlying toughening mechanism of coelacanth-fish-inspired double-helicoidal composites and promote the next-generation impact-resistant composites design.
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