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美研制更堅韌的仿生水泥,有望替代傳統水泥

2024-10-14 12:24
來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客
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嚴重的地震、颶風等自然災害可造成建筑物的倒塌,其主要原因是,建筑水泥的抗損傷能力不夠。近期,美國研發出一種仿生水泥,比普通水泥的抗損傷能力高出5倍。

美國普林斯頓大學(Princeton University)土木與環境系研究人員受人體皮質骨結構的啟發,開發了一種仿生水泥材料,比傳統水泥更不容易出現裂縫或突然失效,其抗損傷能力是標準水泥材料的5.6倍。

皮質骨(cortical bone),又稱密質骨(compact bone),是形成骨骼的兩種骨組織之一。皮質骨提供骨骼的一些主要功能,例如支撐身體、保護器官以及釋放以鈣為主的化學成分。皮質骨形成了大多數骨頭的皮質,同時也比松質骨(cancellous bone)更為緊密堅硬。人體骨骼有80%重量是皮質骨。

皮質骨擁有致密外殼可提供強度抵抗骨折,它由致密的管狀骨組成,內部含有多個管狀小孔,下方則有大量互連接的網絡通道。

2023年5月烏克蘭西部城市利沃夫第一所使用混凝土3D列印建造的學校。(Yuriy Dyachyshyn/AFP,文章配圖,與本文內容無關)

研究人員發現,皮質骨雖然有脆弱的地方讓裂紋快速擴展,但它可以通過內外機制(大量網絡通道)表現出優異的斷裂韌性,還能防止(干涉)骨頭的裂縫出現進一步擴展(裂縫延遲擴展)。

利用這一結構原理,他們利用混合3D列印和鑄造方法制作出了類皮質骨的仿生水泥。

他們在水泥漿中加入了圓柱形和橢圓形的管(孔隙率40%),使其與擴散的裂縫相互作用,然后進行壓力和拉力測試。結果顯示,有橢圓形和圓形孔洞的水泥的斷裂韌性,比普通水泥高出3.1倍和5.6倍,遠超過去在水泥中摻雜纖維、砂漿和韌性膏體的性能。

除此之外,研究人員找到一種量化無序的新方法,可以用于量化無序的建筑材料,以便了解影響材質的應力、脆性和延展性的主要原因,并從中開發更多、更好的新型材料,以增強建筑的性能,解決傳統材料存在斷裂韌性不足的問題。

普林斯頓大學土木與環境系副教授雷薩?莫伊尼(Reza Moini)對該校的新聞室表示,“人們預計使用空心管時,材料的抗裂能力會降低,但我們了解到通過利用管的幾何形狀、尺寸、形狀和方向,可以促進裂紋與管的相互作用,且在不犧牲另一種特性的情況下增強另一種特性。”

莫伊尼接著說,“我們透過斷裂力學、統計力學的原理,達到改善材料的基本性能,同時透過統計學將不規則材料或擾動進行量化,讓原本無序的材料變得可以客制化。這種客制化幫助我們更方便對材料進行設計,并將其用于制造民用基礎設施上。”

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