層級(jí)構(gòu)造

  很多天然材料在多個(gè)不同的縱向尺度上具有特征鮮明的結(jié)構(gòu)，可以將其標(biāo)識(shí)
為“層級(jí)”構(gòu)造。典型的例子有木、骨或肌腱。層級(jí)平面通常以非常不同的構(gòu)
造形式連接在一起，構(gòu)成一個(gè)層級(jí)復(fù)合物，可以滿足高度復(fù)雜的、形式多樣的功
能性要求。一般來(lái)說(shuō)，層級(jí)構(gòu)造對(duì)有機(jī)材料所具有的極其優(yōu)異的力學(xué)性能起著非
常重要的作用。不過(guò)，目前對(duì)層級(jí)平面相互之間作用的了解還很少，因
為在試驗(yàn)中很難將單個(gè)的結(jié)構(gòu)平面分離出來(lái)。

  對(duì)于輕量化概念來(lái)說(shuō)，特別令人感興趣的是：一個(gè)層級(jí)構(gòu)造是否可以提高材
料的力學(xué)性能。如果是的話，那么它是如何提高材料力學(xué)性能的。首先可以用基
于簡(jiǎn)化分級(jí)模型結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)公式來(lái)進(jìn)行研究。分級(jí)模型具有結(jié)構(gòu)化的層級(jí)平面。
與有機(jī)材料中的層級(jí)平面不同，分級(jí)模型中的結(jié)構(gòu)化層級(jí)平面彼此相似。以蜂窩
結(jié)構(gòu)為例，其胞壁也是由蜂窩構(gòu)成的，而蜂窩的胞壁則是由更小的蜂窩構(gòu)成的
(以此類推)。雷克斯,引展示了一個(gè)分級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)，增加層級(jí)平面的數(shù)量可以提
高壓力下的相對(duì)強(qiáng)度(對(duì)應(yīng)于實(shí)體材料的強(qiáng)度)。造成這一現(xiàn)象的原因
是這種結(jié)構(gòu)形式阻礙了壓彎。定向的泡沫結(jié)構(gòu)顯示出了類似的積極效果，只是效
果不那么大，如骨小梁的情形。當(dāng)層級(jí)平面的數(shù)量增加時(shí)，在彎曲載荷作用
下的平板的層級(jí)斜撐結(jié)構(gòu)以及在壓力載荷作用下的層級(jí)殼形結(jié)構(gòu)(在一定的前提
條件下，如在至少部分壓載荷下的彈性變形)的力學(xué)性能都得到了提高。
  分級(jí)構(gòu)造可以節(jié)約材料。據(jù)此可以推測(cè)，由于擁有很多結(jié)構(gòu)不同的層級(jí)平
面，有機(jī)材料還可以擁有更大的優(yōu)化潛力。因?yàn)閺脑瓌t上來(lái)說(shuō)，在不同的縱向尺
度上也可以對(duì)其他的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的結(jié)果表現(xiàn)在性能組合上會(huì)產(chǎn)生很多優(yōu)
點(diǎn)：例如，骨的強(qiáng)度比它的單一基本組件(骨膠原，羥磷灰石礦物質(zhì))的強(qiáng)度都要
高，同時(shí)在剛度和韌性之間達(dá)到了非常好的妥協(xié)。

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