仿生螳螂蝦(四):高韌性人字形結構複合材料

 
2017/08/21 歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組     189
 

美國與澳洲的科學家結合產學合作,仿生雀尾螳螂蝦(Odontodactylus scyllarus)掠螯棒狀指節撞擊區的高韌性人字形超微結構,使用聚合物和碳纖維以3D列印方式,開發出可吸收更多能量、分散外力更均勻、抵抗更大應力的新型仿生人字形結構複合材料,以及用人字型結構當外層、夾板螺旋結構當內層的複合材料,成功製造新款超強韌耐撞擊的輕量雙層頭盔,可視需求單獨使用或結合兩種複合材料,未來可透過改變纖維結構調節厚度和剛度、給予額外的韌性,應用於防護及防彈裝備、交通工具、建築物、太空船等,做為耐撞擊的外層。研究成果發表於2016年8月出版的《先進材料》(Advanced Materials)期刊。團隊由加州大學河濱分校(University of California, Riverside)基薩魯斯(David Kisailus)教授領導,成員包括普渡大學西拉法葉分校(Purdue University, West Lafayette)、明尼蘇達大學(University of Minnesota)、加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego)、西雪梨大學(Western Sydney University)、海思創公司(Hysitron Inc.)、和泰思肯公司(TESCAN USA Inc.)。

 

雀尾螳螂蝦是一種粉碎型蝦蛄,體色鮮艷多彩,具有卓越視力、彈性盔甲、快速出拳等特點,領域性和攻擊性很強,會激烈捍衛棲地、食物來源和配偶,又稱為蟬形齒指蝦蛄、紋華青龍蝦、孔雀螳螂蝦,屬於軟甲綱(Malacostraca)口足目(Stomatopoda)齒指蝦蛄科(Odontodactylidae)。棲息於海洋礁岩縫隙或基部附近的洞穴內,獵捕螃蟹、寄居蟹、蚌、蛤蜊及螺類等甲殼類、腹足類、和雙殼類動物為食,牠們攻擊獵物時使用超過子彈的速度伸展一對掠螯,號稱自然界最快和最強大的重擊之一,以擴大如拳的棒狀指節踝部重擊獵物的防禦武器或保護硬殼,引起第一個力峰,搭配氣蝕泡崩潰造成空穴效應衝撞力量所致的第二個力峰,導致對獵物的雙重傷害,峰值衝擊力範圍從400到1,501牛頓(N,使質量1公斤物體加速度達1 m/s2時所需的力),峰值氣蝕力達504 牛頓,達到超過10,400 g的重力加速度(g=9.8 m/s2)和從0達到每秒23公尺的速度。第一次攻擊後會視獵物損傷狀況停止或再次攻擊,兩次攻擊間距時間為390-480微秒(μs=10-6s)。

 

棒狀指節尺寸約7公釐,做為攻擊武器不僅能提供雀尾螳螂蝦重複衝擊力,還能承受隨之而來高達1,500牛頓的空穴應力,不會出現災難性的斷裂,可重複使用多達五萬次重擊。主成分是α幾丁質纖維,依無機鈣化物的鈣化程度分為「撞擊區表面」、「撞擊區」、和「週期區」共三層結構,礦化程度越高就越硬、強度越高。撞擊區厚度約500微米(μm=10-6m),由結晶磷酸鈣圍繞有機α幾丁質纖維,礦化組成週期性的人字形超微結構(週期性正弦波結構),具有橫向長度(波長,λ)約45微米,縱向長度(振幅,A)在撞擊區和週期區交界處為70微米、在撞擊區和表面交界處為100微米、在撞擊區表面僅50微米,彈性模量約30-45吉帕(GPa = 109 Pa,1 Pa = 1 N/m2),近似波的週期結構。

 

研究團隊使用奈米壓痕儀觀察撞擊區的多層結構,發現類似坦克的複合裝甲材料,具有高密度、高硬度、高彈性模量、和因位置而異的彈性模量等特性。而雀尾螳螂蝦棒狀指節因礦化梯度的影響,鈣和磷濃度由內部朝向表面增加,將氟、硫、和碳酸鹽替換為靠近指節表面的磷灰石晶體,導致撞擊區表面具有較高的彈性模量和硬度,形成由內而外升高的漸變梯度,分別為25-50吉帕和0.7-2吉帕,並在指節表面達最大值。當測試施加1,000毫牛頓(mN=10-3N)載荷至撞擊區時,表面出現輕微刻痕,裂紋沿著螺旋排列纖維的局部取向扭曲旋轉,在裂紋尖端的纖維能自我修復產生橋結,阻止裂紋擴展,且磷灰石(磷酸鈣)的晶體結構將各向異性傳導至幾丁質纖維增強結構韌性,證實人字形結構能分散所受外力,保持本身的穩定性。

 

他們以3D列印仿生人字形結構複合材料的纖維及基底圓柱,採用硬的剛性不透明白色材料丙烯酸光聚合物(acrylic-based photo-polymer)VeroWhite和類橡膠材料的軟彈性體TangoPlus組成結構材料,直徑60公釐、高度37公釐,纖維直徑0.6公釐,旋轉角18度,振幅3公釐,波長2公釐,容積百分率0.267;同時也列印對照用的仿生夾板螺旋結構複合材料圓柱,規格相同,但容積百分率0.242。經奈米壓痕試驗得知,增加人字形試樣中正弦界面的振幅/波長比(A/λ),可延遲不穩定的裂紋擴展,並增大韌性,且人字形結構容許更大的應力再分配,更能避免損害;抗壓試驗則顯示人字形結構能承受較大的應變、沒有顯著損傷,具較高的能量吸收密度;壓縮測試將試樣壓扁,結果人字形結構的內部形變較小、較穩定、受力較均勻;剪切應力測試也顯示人字形結構的應力分布更均勻,從內部到表層的振幅/波長比逐漸增加、楊氏模量隨之增加、韌性增強,有更佳的能量吸收性能,可抵抗更大應力。故若將人字形結構多層疊加,達到100%仿生雀尾螳螂蝦棒狀指節撞擊區的人字形超微結構,不但輕薄,且機械性能將更優異。無論單獨使用高韌性人字形結構複合材料或同時採用螺旋形和人字形兩種結構,都極具應用潛力。

 

(以上新聞編譯自2016年8月24日發行之Advanced Materials期刊)

 

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • Yaraghi, N. A., N. Guarín-Zapata, L. K. Grunenfelder, E. Hintsala, S. Bhowmick, J. M. Hiller, M. Betts, E. L. Principe, J.-Y. Jung, L. Sheppard, R. Wuhrer, J. McKittrick, P. D. Zavattieri, and D. Kisailus. 2016. A sinusoidally-architected helicoidal biocomposite. Advanced Materials, 28(32): 6835-6844.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • Benedict. 2016. Ultra-strong 3D printed material inspired by natural herringbone pattern on mantis shrimp. 3D Printer and 3D Printing News, May 31, 2016.
    • Mantis shrimp. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Mantis_shrimp (Visit date: 2017/06/03).
    • Patek, S. N. and R. L. Caldwell. 2005. Extreme impact and cavitation forces of a biological hammer: strike forces of the peacock mantis shrimp Odontodactylus scyllarus. The Journal of Experimental Biology, 208: 3655-3664.
    • Patek, S. N., W. L. Korff, and R. L. Caldwell. 2004. Deadly strike mechanism of a mantis shrimp: this shrimp packs a punch powerful enough to smash its prey’s shell underwater. Nature, 428: 819-820 (+3pp. Supplementary methods).
    • University of California-Riverside. 2016. Mantis shrimp inspires next generation of ultra-strong materials: newly discovered structural motif is key to tougher, more impact resistant composite materials for aerospace, automotive and armor applications. ScienceDaily. May 31, 2016.
     
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