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Bioinspired basalt fiber composites with higher impact resistance through coupling sinusoidal and helical structures inspired by mantis shrimp

复合材料 玄武岩纤维 韧性 材料科学 纤维 消散 均质化(气候) 生物 生态学 热力学 物理 生物多样性
作者
Binjie Zhang,Jingde Yang,Yujiao Li,Junqiu Zhang,Shichao Niu,Zhiwu Han,Luquan Ren
出处
期刊:International Journal of Mechanical Sciences [Elsevier]
卷期号:244: 108073-108073 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.ijmecsci.2022.108073
摘要

The imitation of natural and biological structures for the manufacturing of artificial materials provides a series of feasible pathways towards designing materials with excellent mechanical properties for a wide range of applications. Inspired by the dactyl club of mantis shrimps with high-energy absorption and excellent impact resistance, a novel laminate composite is designed and manufactured with basalt fibers through combining sinusoidal fiber structure and helical fiber structure like mantis shrimp. The impact toughness can reach 199.8 kJ/m2, which is far beyond that of traditional laminates (137.53 kJ/m2). The optimal structural parameters of sinusoidal and helical structures were determined through finite element analysis (FEA) and impact experiments. Combined with the forms of failure, the energy dissipation effect and stress homogenization effect of two structures during impact are researched respectively. Besides, the synergistic effect of sinusoidal and helical structure is investigated in detail. Compared with composites only with single bionic structure, the bio-composites coupling sinusoidal and helical structure have more excellent fracture toughness during impact, owing to the synergy of energy dissipation and homogenization effects ingeniously. Hence, the bio-inspired laminate composites open a broad avenue to explore new generation materials with fascinating mechanical properties through imitating biological structures, which have a great engineering application potential.
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