普林斯顿大学的工程师通过模仿人类骨骼的结构，创造了一种更坚固的水泥基材料。该材料采用管状结构控制裂纹扩展，在不添加外部材料的情况下增强抗损伤能力。这一创新可以为民用基础设施带来更坚固的建筑材料。

普林斯顿大学的工程师们从人类骨骼坚硬的外层中获得灵感，发明了一种水泥基材料。这种仿生设计的抗损伤性是传统材料的5.6倍，使其能够更好地承受开裂和防止突然失效，这是传统脆性水泥基材料的常见问题。

在最近发表在《先进材料》杂志上的一项研究中，由土木与环境工程助理教授雷扎·莫伊尼（Reza Moini）和三年级博士生沙尚克·古普塔（Shashank Gupta）领导的研究小组证明，采用管状结构的水泥浆可以显著增加对裂缝扩展的抵抗能力，并提高变形能力，而不会突然失效。

古普塔说：“工程脆性建筑材料面临的挑战之一是它们会以突然的、灾难性的方式失效。”

在建筑和民用基础设施中使用的脆性建筑材料中，强度确保了承受载荷的能力，而韧性则支持抵抗结构中的开裂和破坏扩散。提出的技术通过创造一种比传统材料更坚韧同时保持强度的材料来解决这些问题。

内部架构的重要性

莫伊尼说，改进的关键在于有目的的内部结构设计，通过平衡裂缝前端的应力和整体机械响应。

他说：“我们利用断裂力学和统计力学的理论原理，‘通过设计’改善材料的基本性能。”

该团队的灵感来自人类皮质骨，人类股骨的致密外壳，提供力量和抵抗骨折。皮质骨由称为骨元的椭圆形管状成分组成，弱嵌入有机基质中。这种独特的结构使骨骼周围的裂缝偏转。古普塔说，这可以防止突然失效，并增加裂纹扩展的整体阻力。

该团队的仿生设计结合了水泥浆中的圆柱形和椭圆形管，这些管与扩展的裂缝相互作用。

裂纹-管相互作用及增韧机理

莫伊尼说：“人们预计，当加入空心管时，这种材料的抗裂性会降低。我们了解到，通过利用管的几何形状、尺寸、形状和方向，我们可以促进裂缝-管的相互作用，在不牺牲另一种性能的情况下提高一种性能。”

研究小组发现，这种增强的裂纹-管相互作用启动了一种逐步增韧机制，其中裂纹首先被管捕获，然后延迟扩展，导致在每个相互作用和步骤中额外的能量耗散。

古普塔说：“这种渐进式机制的独特之处在于，每个裂缝的扩展都是可控的，可以防止突然的、灾难性的故障。这种材料不会一次全部断裂，而是可以承受逐渐的损伤，使其更加坚固。”

韧性和无序的创新方法

与通过添加纤维或塑料来增强水泥基材料的传统方法不同，普林斯顿团队的方法依赖于几何设计。通过控制材料本身的结构，他们在不需要额外材料的情况下显著提高了韧性。

除了提高断裂韧性外，研究人员还引入了一种新的方法来量化无序度，这是设计的一个重要数量。基于统计力学，该团队引入参数来量化建筑材料的无序程度。这使得研究人员能够创建一个反映建筑无序程度的数字框架。

研究人员说，新的框架提供了一种更准确的材料排列表示，从有序到随机的光谱，超越了简单的周期和非周期的二元分类。莫伊尼说，该研究区分了将不规则性和微扰与统计紊乱相混淆的方法，如Voronoi镶嵌和微扰方法。

莫伊尼说：“这种方法为我们提供了一个强大的工具来描述和设计具有量身定制的无序程度的材料。使用先进的制造方法，如增材制造，可以进一步促进更多无序和机械有利结构的设计，并允许扩大这些管状设计，用于混凝土的民用基础设施组件。”

该研究团队最近还开发了使用机器人和增材制造实现高精度的技术。通过将它们应用到新的建筑中，以及在管道内结合硬或软材料，他们希望进一步扩大建筑材料应用的可能性。

“我们才刚刚开始探索这些可能性，”古普塔说。“有许多变量需要研究，例如将无序程度应用于材料中管的大小，形状和方向。这些原理可以应用于其他脆性材料，以设计出更具抗损伤性的结构。”

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