受人体骨骼坚韧外层结构的启发，普林斯顿大学的工程师开发了一种水泥基材料，其抗损伤能力是标准材料的 5.6 倍。与传统的脆性水泥基材料不同，仿生设计使该材料能够抵抗开裂并避免突然失效。

在一个新的文章在日记中先进材料，由土木与建筑学助理教授 Reza Moini 领导的研究小组环境工程和 Shashank Gupta，三年级博士生。候选者证明，采用管状结构的水泥浆可以显着增加裂纹扩展的阻力，并提高变形能力而不会突然失效。

古普塔说：“脆性建筑材料工程面临的挑战之一是它们会突然、灾难性地失效。”

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，而韧性则支持结构中抗裂和损坏蔓延的能力。所提出的技术通过创造一种比传统同类材料更坚韧的材料来解决这些问题，同时保持强度。

莫尼表示，改进的关键在于内部结构的有目的的设计，通过平衡裂纹前端的应力与整体机械响应。

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

该团队的灵感来自于人类皮质骨，即人类股骨的致密外壳，可提供强度并抵抗骨折。皮质骨由称为骨的椭圆管状成分组成，微弱地嵌入有机基质中。这种独特的结构可以使骨周围的裂缝偏转。古普塔说，这可以防止突然失效并增加对裂纹扩展的整体抵抗力。

该团队的仿生设计在水泥浆中加入了圆柱形和椭圆形管，与传播的裂缝相互作用。

莫尼说：“人们预计，当采用空心管时，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，我们可以促进裂纹与管的相互作用，从而在不牺牲另一种特性的情况下增强一种特性。”

研究小组发现，这种增强的裂纹-管相互作用引发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，从而导致每个相互作用和步骤都有额外的能量耗散。

古普塔说：“这种逐步机制的独特之处在于，每次裂纹扩展都受到控制，从而防止突然的灾难性故障。”“这种材料不会一次全部断裂，而是能够承受渐进的损坏，从而变得更加坚韧。”

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，普林斯顿大学团队的方法依赖于几何设计。通过操纵材料本身的结构，它们无需额外材料即可显着提高韧性。

除了改善断裂韧性研究人员引入了一种新方法来量化无序程度，这是设计的一个重要量。基于统计力学，该团队引入了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架构无序程度的数值框架。

研究人员表示，新框架提供了材料排列的更准确表示，从有序到随机的光谱，超越了周期性和非周期性的简单二元分类。Moini 表示，该研究区分了混淆不规则性和扰动的方法与统计紊乱（例如 Voronoi 细分和扰动方法）。

“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定制无序程度的材料，”莫尼说。“使用增材制造等先进制造方法可以进一步促进更无序和机械上有利的结构的设计，并允许扩大这些带有混凝土的民用基础设施组件的管状设计。”

研究团队最近还发达 技巧 允许使用机器人和增材制造实现高精度。通过将它们应用于新的建筑以及管内硬质或软质材料的组合，他们希望扩大建筑材料应用的可能性。

“我们才刚刚开始探索可能性，”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尺寸、形状和方向。这些原理可以应用于其他脆性材料，以设计更耐损坏的结构。”