Hierarchically Enhanced Impact Resistance of Bioinspired Composites

海螺 材料科学 壳体(结构) 等级制度 复合材料 层状结构 结构工程 纳米技术 工程类 地质学 市场经济 古生物学 经济
作者
Grace X. Gu,Mahdi Takaffoli,Markus J. Buehler
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:29 (28) 被引量:382
标识
DOI:10.1002/adma.201700060
摘要

An order of magnitude tougher than nacre, conch shells are known for being one of the toughest body armors in nature. However, the complexity of the conch shell architecture creates a barrier to emulating its cross-lamellar structure in synthetic materials. Here, a 3D biomimetic conch shell prototype is presented, which can replicate the crack arresting mechanisms embedded in the natural architecture. Through an integrated approach combining simulation, additive manufacturing, and drop tower testing, the function of hierarchy in conch shell's multiscale microarchitectures is explicated. The results show that adding the second level of cross-lamellar hierarchy can boost impact performance by 70% and 85% compared to a single-level hierarchy and the stiff constituent, respectively. The overarching mechanism responsible for the impact resistance of conch shell is the generation of pathways for crack deviation, which can be generalized to the design of future protective apparatus such as helmets and body armor.
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