Структура Булиганда

Структура Булиганда

Структура Булиганда: как природа вдохновляет промышленность и науку

Структура Булиганда — это удивительная слоистая и вращающаяся микроструктура, которая напоминает фанеру. Она встречается во многих природных материалах и отличается уникальными механическими свойствами. Состоящая из нескольких пластинок или слоев, каждая из которых состоит из выровненных волокон, эта структура постепенно вращается относительно соседних слоев. Такое строение улучшает сопротивление разрушению, обеспечивает прочность и изотропность в плоскости. Структура Булиганда встречается в космоидной чешуе латимерии, пальцеобразной булаве креветки-богомола и других природных объектах.

Эта структура была впервые описана в 1869 году Эрнестом Ройшем и получила название «сваи Ройша». Сегодня она активно изучается, так как ее механические свойства делают ее идеальной для создания биотехнологических материалов, устойчивых к разрушению. Например, слоистые композиты, такие как углепластик, использующие принципы Булиганда, демонстрируют улучшенные ударные свойства. Однако воспроизведение этой структуры в малых масштабах остается сложной задачей, и ученые продолжают совершенствовать технологии ее производства.

Механические свойства структуры Булиганда

Механизмы упрочнения

Структура Булиганда придает материалам высокую прочность и устойчивость к разрушению. Механизмы упрочнения, которые она использует, разнообразны. Одним из ключевых является отклонение трещин. Когда трещина встречает слоистую структуру, она отклоняется, что значительно замедляет ее распространение. Это может происходить в двух формах: наклон трещины и перекрытие трещины.

Наклон трещины происходит, когда трещина распространяется вдоль направления волокон, но затем замедляется и меняет направление. Перекрытие трещины требует, чтобы трещина прорезала волокна, чтобы продолжить распространение. Такое сочетание механизмов приводит к увеличению площади поверхности трещины, что делает дальнейшее распространение менее вероятным.

Кроме того, структура Булиганда позволяет образовывать множественные трещины, которые не сливаются в одну. Этот процесс, известный как скручивание трещины, также способствует упрочнению материала.

Ударопрочность

Ударопрочность материалов, созданных по принципу Булиганда, отличается от их общей прочности. При ударных нагрузках напряжение прикладывается с гораздо большей скоростью. Исследования показали, что углы наклона слоев в структуре Булиганда играют ключевую роль в поглощении энергии. Например, углы от 18 до 42 градусов обеспечивают лучшую ударопрочность, чем традиционные изотропные структуры.

Фильтрация сдвиговой волны — еще один механизм, который делает структуру Булиганда устойчивой к динамическим нагрузкам. Периодическая и иерархическая природа структуры создает эффект фильтрации, который блокирует передачу определенных частот, снижая энергию, воздействующую на материал.

Приспособляемость

Структура Булиганда способна адаптироваться к нагрузкам. Это было подтверждено с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS). Основные механизмы адаптации включают изменение угла между коллагеновыми фибриллами и