[论文解读] The benefits of structural disorder in natural cellular solids

Derek Aranguren van Egmond, Bosco Yu+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2021

Marine and environmental studies被引用 9

一句话总结

本研究表明，通过无序参数（d = 0.6–0.8）量化中等程度的结构无序性——在天然及3D打印的多孔材料中——可使断裂韧性相比相同密度的完美有序六边形蜂窝结构提高30%以上。通过Voronoi镶嵌和实验验证，作者表明这种最佳无序性可限制裂纹扩展并实现损伤容限，暗示了趋同进化，并提出了一种新型轻质、安全失效的结构化材料设计范式。

ABSTRACT

Structural cellular materials in nature, such as wood, trabecular bone, corals, and dentin combine complex biological functions with structural roles, such as skeletal support and impact protection1,2. They feature complex structural hierarchies from nano- to macroscale that enable optimization of both strength and toughness (flaw tolerance) simultaneously3-9. These hierarchies typically exhibit structural disorder in the arrangement of pores. The degree of disorder, however, has not been systematically quantified before, and its role in the mechanical performance of cellular biomaterials is generally unknown. Here we have applied Voronoi tessellations to quantify the cell size variation in 2D cross-sections of biological and engineered cellular materials, using a disorder parameter (d) ranging between 0 (highly disordered) to 1.0 (regular hexagonal honeycomb). We demonstrate that various plant, fungi, and animal cellular materials show characteristic ranges of disorder. Using 3D printed analogues and numerical methods, we demonstrate experimentally a range of pseudo-order (d=0.6 to 0.8) that exhibits a > 30% increase in fracture toughness (and equivalent strength) compared to hexagonal honeycombs (d=1.0) of equal density. Our results show this range of disorder is similar to that identified in the biological examples, which suggests convergent evolution. This optimal degree of structural disorder limits catastrophic failure, providing an evolutionary advantage for organism survival. Distributed structural damage limits cracks below a maximum threshold size and also enables tissue repair mechanisms after trauma. Our work shows that tailored disorder should be considered as a new design paradigm for digitally fabricated, lightweight architected materials to improve damage tolerance.

研究动机与目标

• 使用系统化的无序参数量化天然多孔材料（如木材、骨骼和珊瑚）中的结构无序性。
• 研究不同无序程度对机械性能的影响，特别是断裂韧性和强度。
• 确定是否存在一个最优无序水平，可在保持低密度的同时最大化韧性。
• 探讨结构无序在生物材料中的进化和功能优势。
• 通过模仿自然界中观察到的最佳无序性，建立工程化结构化材料的设计原则。

提出的方法

• 采用Voronoi镶嵌对生物及工程化多孔材料的二维横截面进行处理，以量化细胞尺寸变化，并定义无序参数（d），其取值范围为0（高度无序）至1.0（完美六边形蜂窝）。
• 制备了具有可控无序性（d = 0.6至0.8）的3D打印类比样品，以实验测试其机械性能。
• 结合机械测试与数值模拟，评估不同无序水平下的断裂韧性与等效强度。
• 将无序参数与观察到的机械行为相关联，以识别损伤容限的最佳范围。
• 分析生物实例，将其自然无序水平与实验确定的最佳范围进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 天然多孔材料（如木材、骨小梁和珊瑚）中的结构无序性定量范围是什么？
• RQ2 结构无序如何影响相同密度多孔材料的断裂韧性和强度？
• RQ3 是否存在一个最优无序水平，使其在损伤容限方面超越完美有序结构？
• RQ4 天然生物材料在多大程度上表现出与实验确定的最佳无序范围相匹配的无序水平？
• RQ5 能否将定制化的结构无序用作设计原则，以提升3D打印轻质结构化材料的性能？

主要发现

• 发现无序参数范围为 d = 0.6 至 0.8 时，断裂韧性相比相同密度的完美有序六边形蜂窝结构（d = 1.0）提高了30%以上。
• 最佳无序范围通过分散损伤并防止灾难性失效，限制了裂纹扩展，从而支持组织在创伤后的修复机制。
• 天然材料如木材、骨骼和珊瑚的无序水平处于实验确定的最佳范围内（d ≈ 0.6–0.8），表明其为损伤容限而趋同进化的证据。
• 具有此最佳无序性的3D打印类比样品在韧性和强度方面均优于完美有序蜂窝结构，证实了其机械优势。
• 本研究确立了：定制化的结构无序应被视为一种新型设计范式，适用于数字化制造的轻质、损伤容限型结构化材料。