仿生开孔泡沫结构调控：优化两相复合材料力学性能的新途径

本文开发了一种基于Voronoi算法的仿生开孔泡沫建模方法，通过胞间距离(d)参数实现从柚子皮到骨小梁结构的形态调控。采用有限元分析(FEA)建立了SiC3D/Al复合材料的几何-性能关系，发现界面面积主导强度变化(356→326 MPa)，而极端d值会导致SiC3D脆性断裂。研究揭示了d=0.65时延展性峰值(3.98%)的机理，为协同优化强度-韧性矛盾提供了新思路。

　　

几何建模方法

本文开发了一种仿生建模方法来构建开孔泡沫结构（图1a）。该方法的关键特征是通过单一控制参数调控结构特性。建模过程首先生成100×100×100 μm³的初始立方体（图1a-1），随后将该立方体按1.2倍比例放大。通过Voronoi算法在放大后的立方体内构建包含40个细胞的颗粒状网络结构（图1a-2）。

增强相承载能力

根据经典弹性理论，固定组分的复合材料应具有相同的弹性模量。然而，非均匀复合材料的实验结果对此提出了挑战。例如层状复合材料在纵向和横向表现出显著不同的弹性模量。

Hashin-Shtrikman（HS）模型通常用于估算均匀复合材料弹性模量的上下界。上界对应于...

结论

总之，我们开发了一种可调控的仿生开孔泡沫建模策略，其中胞间距离d被用来控制几何特征。随着d的增加，结构从柚子皮样形态转变为骨小梁样形态。更大的界面面积增强了SiC_3D相的承载能力，导致强度随胞间距离d增加而单调下降（从356 MPa到326 MPa）。在低或高d值的模型中...