采用直接数据驱动的方法高效评估两相材料的力学性能

《Materials Characterization》：Efficient evaluation of mechanical properties for two-phase materials using a direct data-driven approach

生物复合材料中的碳酸钙微结构通过自组织形成层次化柱状结构，其低能晶面和有机基质协同缓解应力，实现670 MPa的高压缩强度。应力通过晶格匹配和有机膜分隔的晶界旋转及分裂实现释放，为3D打印技术提供仿生设计规则，并支持AI加速的多尺度模拟。

　　在自然界中，生物复合材料展现出卓越的机械性能，这主要归功于其独特的自组织能力。本研究以一种名为Pteria penguin的双壳类软体动物的壳体为研究对象，深入探讨了其内部的钙质柱状结构（Columnar Calcitic, CC）及其与有机基质之间的相互作用。这些结构的形成不仅反映了生物体在长期进化过程中对环境适应的策略，还为现代材料科学提供了重要的灵感来源。通过电子背散射衍射（EBSD）技术、扫描电子显微镜（SEM）观察以及原子力显微镜（AFM）分析，研究团队揭示了这种生物材料的微观结构特征及其力学行为。

Pteria penguin的壳体结构具有明显的不对称性，其中右瓣由多个钙质柱状层组成，这些柱状层在生长过程中相互分离，被有机膜隔开。在这些柱状层之间，存在一些特殊的有机网络，它们不仅影响柱状结构的形成，还对整体的力学性能起到关键作用。研究发现，这些钙质柱状结构在微观层面上由许多纳米级的单位组成，每个单位的取向在一定程度上保持一致，从而形成类似单晶体的结构。然而，由于生长过程中产生的应力，这些纳米单位之间会产生一定的取向差异，而这些差异通过在低能量平面上的分裂来缓解。这种分裂机制不仅有助于应力的释放，还可能与更复杂的生物结构中的分支现象有关。

研究还发现，Pteria penguin的钙质柱状结构中存在一些特殊的孪晶结构，这些孪晶通过绕c轴旋转60度形成。这种孪晶结构类似于内部流动区域，有助于提高材料的韧性。通过分析这些孪晶结构，研究团队发现它们与低能量平面的匹配程度较高，这使得材料在承受外部载荷时能够有效分散应力，从而防止裂纹的快速扩展。此外，研究还发现，这些低能量平面不仅在相邻的钙质柱状结构之间起作用，还可能影响远处的结构单元，从而形成一个整体的、有序的微观结构。

在机械性能方面，研究团队通过压缩试验评估了Pteria penguin壳体的力学特性。实验结果显示，尽管钙质材料本身较为脆弱，但通过其独特的微观结构设计，Pteria penguin的壳体能够达到高达670 MPa的抗压强度，这一数值甚至超过了某些结构钢材的强度。这种优异的机械性能来源于材料中复杂的能量控制机制，包括有机基质对钙质柱状结构的引导作用、低能量平面的分裂以及孪晶结构的形成。这些机制共同作用，使得材料在受到外部载荷时能够有效转移应力并抑制裂纹的扩展。

研究还揭示了Pteria penguin壳体结构中有机基质的重要作用。有机基质不仅在钙质柱状结构之间起到连接和缓冲的作用，还可能通过其独特的六边形通道结构，促进钙质晶体之间的匹配。这种匹配能力使得相邻的钙质柱状结构能够保持相对一致的取向，从而增强整个材料的结构稳定性。此外，有机基质的存在还使得材料具有一定的粘弹性特性，这种特性有助于能量的耗散，从而提高材料的韧性。

通过分析不同层面上的取向分布和分裂行为，研究团队发现，Pteria penguin壳体的结构在不同区域表现出不同的特征。例如，在壳体的外层，钙质柱状结构的取向较为一致，而在内层则可能出现更多的分裂和取向变化。这种变化可能与生长过程中产生的应力有关，这些应力促使钙质柱状结构发生弯曲和旋转，从而形成更加复杂的微观结构。研究还发现，这些分裂和旋转过程可能与有机基质的分布和性质密切相关，有机基质的厚度和分布方式可能影响钙质柱状结构的形成和排列。

此外，研究团队还开发了一种新的程序，用于识别钙质材料中的晶格匹配情况。该程序能够分析EBSD数据，并在逆空间中识别低能量平面之间的匹配关系。这种程序的应用不仅有助于理解生物材料的自组织机制，还为合成材料的设计提供了新的思路。通过结合人工智能技术，可以进一步优化这些程序，从而实现对复杂结构的模拟和预测，为3D打印技术提供支持。

本研究的结果表明，生物复合材料的自组织能力不仅依赖于其结构的复杂性，还与材料中有机基质和钙质结构之间的相互作用密切相关。这种相互作用使得材料能够在承受外部载荷时表现出优异的机械性能。研究团队发现，Pteria penguin壳体中的钙质柱状结构通过低能量平面的分裂和孪晶结构的形成，能够有效地控制应力的分布，从而提高材料的整体强度和韧性。

总之，本研究通过多方面的分析，揭示了Pteria penguin壳体结构的复杂性和其在机械性能方面的优势。这些发现不仅为生物材料的研究提供了新的视角，还为合成材料的设计和制造提供了重要的参考。未来，这些研究成果可以应用于3D打印技术，以实现更高效的结构设计和制造，从而生产出具有优异性能的合成材料。