韦小丁研究员课题组成功建立仿生复合材料的严格断裂力学理论模型

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自然界生物材料通过精巧的微观结构设计来获得优异的机械性能，包括高的比强度和断裂韧性。例如贝壳类生物中的珍珠母是一种天然的纳米复合材料，由占体积95%的强度高但脆性明显的矿物质以及占体积5%的柔韧有机蛋白质通过“砖墙”结构组成。实验发现珍珠母的断裂韧性比纯相矿物质高出3000倍以上。虽然研究人员已经开始在人造材料中引入类似的微观结构并获得了显著的材料力学性能提升，但是之前一直缺乏针对具有多层级结构的生物复合材料建立的严格断裂力学理论模型。
       近日，北京大学工学院力学与工程科学系韦小丁研究员课题组利用“渔网”多尺度方法为具有砖墙结构的生物复合材料建立起一套严格的断裂力学理论框架。理论发现由于存在微观结构的效应，生物复合材料中I型裂纹裂尖附近的位移场与均质理想弹塑性介质中III型裂纹裂尖的位移场具有相同的数学形式。通过理论分析，课题组首次获得了具有砖墙结构复合材料的I型裂纹裂尖的塑性区以及裂纹阻力曲线等问题的解析解（图1）。这一研究有助于研究人员深入理解仿生复合材料的独特断裂力学行为，并帮助设计新一代、具有更加优异力学性能的仿生复合材料。

复合材料

图1. 具有砖墙微观结构的复合材料l型裂纹尖端具有和均质理想弹塑性介质中III型裂纹尖端相似的塑性区分布特征

       相关工作发表在固体力学领域旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上（https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104157），刘俊杰博士和於中良博士为该论文的共同第一作者。此项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心的支持。


       文章来源：北京大学
        韦小丁2003年从中国科学技术大学近代力学系获得学士学位，2009年于哥伦比亚大学机械工程系获得博士学位后在美国西北大学机械工程系从事博士后研究工作至2015年。北京大学力学与工程科学系工作。主要研究领域包括石墨烯、碳纳米管等低维材料的基础力学研究，新型高性能复合材料设计和力学性能研究等。至今已在国际知名期刊发表SCI文章近30篇，包括《Science》，《NatureCommunications》，《ACS Nano》，《Journalof the Mechanics and Physics of Solids》等。