美研製更堅韌的仿生水泥 有望替代傳統水泥

嚴重的地震、颶風等自然災害可造成建築物的倒塌，其主要原因是，建築水泥的抗損傷能力不夠。近期，美國研發出一種仿生水泥，比普通水泥的抗損傷能力高出5倍。

美國普林斯頓大學（Princeton University）土木與環境系研究人員受人體皮質骨結構的啟發，開發了一種仿生水泥材料，它比傳統水泥更不容易出現裂縫或突然失效，其抗損傷能力是標準水泥材料的5.6倍。

皮質骨（cortical bone），又稱密質骨（compact bone），是形成骨骼的兩種骨組織之一。皮質骨提供骨骼的一些主要功能，例如支撑身體、保護器官以及釋放以鈣為主的化學成份。皮質骨形成了大多數骨頭的皮質，同時也比松質骨更為緊密堅硬。人體骨骼有80%重量是皮質骨。

皮質骨擁有緻密外殼可提供強度抵抗骨折，它由緻密的管狀骨組成，內部含有多個管狀小孔，下方則有大量互連接的網絡通道。

研究人員發現，皮質骨雖然有脆弱的地方讓裂紋快速擴展，但它可以透過內外機制（大量網絡通道）表現出優異的斷裂韌性，還能防止（干涉）骨頭的裂縫出現進一步擴展（裂縫延遲擴展）。

利用這一結構原理，他們利用混合3D列印和鑄造方法製作出了類皮質骨的仿生水泥。

他們在水泥漿中加入了圓柱形和橢圓形的管（孔隙率40%），使其與擴散的裂縫相互作用，然後進行壓力和拉力測試。結果顯示，有橢圓形和圓形孔洞的水泥的斷裂韌性，比普通水泥高出3.1倍和5.6倍，遠超過去在水泥中摻雜纖維、砂漿和韌性膏體的性能。

除此之外，研究人員找到一種量化無序的新方法，可以用於量化無序的建築材料，以便了解影響材質的應力、脆性和延展性的主要原因，並從中開發更多、更好的新型材料，以增強建築的性能，解決傳統材料存在斷裂韌性不足的問題。

普林斯頓大學土木與環境系副教授雷薩·莫伊尼（Reza Moini）對該校的新聞室表示，「人們預計使用空心管時，材料的抗裂能力會降低，但我們了解到通過利用管的幾何形狀、尺寸、形狀和方向，可以促進裂紋與管的相互作用，且在不犧牲另一種特性的情況下增強另一種特性。」

莫伊尼接著說，「我們透過斷裂力學、統計力學的原理，達到改善材料的基本性能，同時透過統計學將不規則材料或擾動進行量化，讓原本無序的材料變得可以客製化。這種客製化幫助我們更方便對材料進行設計，並將其用於製造民用基礎設施上。」

該研究成果9月10日發表在《先進材料》期刊上。@

------------------

💎成為會員 📧訂閱電子報
https://hk.epochtimes.com/subscribe

🔔下載大紀元App 接收即時新聞通知
🍎iOS：https://bit.ly/epochhkios
🤖Android：https://bit.ly/epochhkand

美研製更堅韌的仿生水泥有望替代傳統水泥