美研制更坚韧的仿生水泥 有望替代传统水泥

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來源:大紀元



2023年5月乌克兰西部城市利沃夫第一所使用混凝土3D列印建造的学校。(Yuriy Dyachyshyn/AFP)

【大纪元2024年10月08日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）严重的地震、飓风等自然灾害可造成建筑物的倒塌，其主要原因是，建筑水泥的抗损伤能力不够。近期，美国研发出一种仿生水泥，比普通水泥的抗损伤能力高出5倍。

美国普林斯顿大学（Princeton University）土木与环境系研究人员受人体皮质骨结构的启发，开发了一种仿生水泥材料，比传统水泥更不容易出现裂缝或突然失效，其抗损伤能力是标准水泥材料的5.6倍。

皮质骨（cortical bone），又称密质骨（compact bone），是形成骨骼的两种骨组织之一。皮质骨提供骨骼的一些主要功能，例如支撑身体、保护器官以及释放以钙为主的化学成分。皮质骨形成了大多数骨头的皮质，同时也比松质骨（cancellous bone）更为紧密坚硬。人体骨骼有80%重量是皮质骨。

皮质骨拥有致密外壳可提供强度抵抗骨折，它由致密的管状骨组成，内部含有多个管状小孔，下方则有大量互连接的网络通道。

研究人员发现，皮质骨虽然有脆弱的地方让裂纹快速扩展，但它可以通过内外机制（大量网络通道）表现出优异的断裂韧性，还能防止（干涉）骨头的裂缝出现进一步扩展（裂缝延迟扩展）。

利用这一结构原理，他们利用混合3D列印和铸造方法制作出了类皮质骨的仿生水泥。

他们在水泥浆中加入了圆柱形和椭圆形的管（孔隙率40%），使其与扩散的裂缝相互作用，然后进行压力和拉力测试。结果显示，有椭圆形和圆形孔洞的水泥的断裂韧性，比普通水泥高出3.1倍和5.6倍，远超过去在水泥中掺杂纤维、砂浆和韧性膏体的性能。（延伸阅读：温哥华发明“打印房” 建筑成本骤降9成）

除此之外，研究人员找到一种量化无序的新方法，可以用于量化无序的建筑材料，以便了解影响材质的应力、脆性和延展性的主要原因，并从中开发更多、更好的新型材料，以增强建筑的性能，解决传统材料存在断裂韧性不足的问题。

普林斯顿大学土木与环境系副教授雷萨‧莫伊尼（Reza Moini）对该校的新闻室表示，“人们预计使用空心管时，材料的抗裂能力会降低，但我们了解到通过利用管的几何形状、尺寸、形状和方向，可以促进裂纹与管的相互作用，且在不牺牲另一种特性的情况下增强另一种特性。”

莫伊尼接着说，“我们透过断裂力学、统计力学的原理，达到改善材料的基本性能，同时透过统计学将不规则材料或扰动进行量化，让原本无序的材料变得可以客制化。这种客制化帮助我们更方便对材料进行设计，并将其用于制造民用基础设施上。”

该研究成果9月10日发表在《先进材料》期刊上。