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“活化石”腔棘魚為增強混凝土抗裂性能提供靈感

新華社北京9月6日電 美國科研人員從“活化石”腔棘魚的鱗片結構中得到啟發,開發出一項混凝土3D打印工藝,制造出不易開裂的大尺寸混凝土構件。測試表明其抗裂性能比傳統的澆筑混凝土高出63%。

美國普林斯頓大學的研究團隊說,新工藝利用機器人精確控制原料沉積方式和速度,模仿腔棘魚鱗片的雙布利岡結構,使混凝土強度提升,即使出現裂縫也不易擴大。論文發表在新一期英國《自然·通訊》雜志上。

布利岡結構廣泛存在于魚鱗、蝦殼中,使材料具有良好的力學性能,其特點是纖維排列成層,層層堆疊,每層都與鄰層錯開固定角度。自然界中常見的布利岡結構以單層為堆疊單元,腔棘魚等少數生物中存在一個雙層堆疊的變種,每個單元中兩層的纖維排列方向互相垂直,稱為雙布利岡結構。

混凝土的抗拉強度遠小于抗壓強度,在外力、溫度和濕度變化等因素影響下容易開裂。新工藝用機器人控制噴頭噴出混凝土材料束,按雙布利岡結構連續沉積,并嚴格監控溫度和壓力,防止材料在硬化過程中變形。研究人員認為,該結構可能使材料內部的裂面相互交錯,裂縫不易延伸和擴散,從多個方面提高了強度。

3D打印又稱增材制造,是一項將數字模型文件轉化為實物的制造技術,混凝土3D打印具有施工快、靈活性高、節約材料等優點。腔棘魚曾被認為與恐龍同時代滅絕,后來發現仍有存活,并且保持著古老的形態,被稱為“活化石”。

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