美研製更堅韌的仿生水泥 有望替代傳統水泥

【2024年10月08日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)嚴重的地震、颶風等自然災害可造成建築物的倒塌,其主要原因是,建築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,同時也比鬆質骨(cancellous bone)更為緊密堅硬。人體骨骼有80%重量是皮質骨。

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

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列印和鑄造方法製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,然後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。(延伸閱讀:溫哥華發明「打印房」 建築成本驟降9成

除此之外,研究人員找到一種量化無序的新方法,可以用於量化無序的建築材料,以便了解影響材質的應力、脆性和延展性的主要原因,並從中開發更多、更好的新型材料,以增強建築的性能,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製化。這種客製化幫助我們更方便對材料進行設計,並將其用於製造民用基礎設施上。」

該研究成果9月10日發表在《先進材料》期刊上。

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