基於 CT 影像進行雙殼貝殼奈米複合材料的 3D 建模與彈性性能計算

概述

劍橋大學的研究人員使用 X 射線電腦斷層掃描和 Simpleware 軟體來表徵天然生物複合材料的彈性特性。這些生物複合材料（包括骨頭、海綿骨針、魚鱗和貝殼）具有獨特的特性，可以耗散能量、在力作用下彎曲並保護其他材料相免受傷害。對這些特性的分析可以告訴我們結構支撐、加固和衝擊能量吸收的解決方案。

此計畫特別關注雙殼類軟體動物。這些水生生物對其環境具有高度適應性，可以為骨植入等應用提供生物相容性和強度的見解。

亮點

雙殼貝殼為材質設計提供靈感
Synopsys Simpleware ScanIP 用於視覺化複雜影像數據，並輕鬆分割顯微 CT 數據
Simpleware SOLID 模組用於計算有效剛度張量
模擬彈性特性可以改善產品

材料測量

進行實驗測試以獲得雙殼類樣品的材料特性，購買了五種雙殼類動物，並使用掃描電子顯微鏡（JEOL JSM-820 SEM – JEOL Ltd.，東京，日本）進行掃描，以比較微觀結構。其他測試包括使用 Tinius Olsen 5 Kn 通用測試機（Tinius Olsen Ltd.，Redhill，英國）進行新穎的 4 點彎曲測量，還進行了奈米壓痕測量以確定不同微觀結構的楊氏模量和硬度以及性能的各向異性。

圖：4 點彎曲夾具：將樣品放置在底部桿上，並透過上面的兩個彎曲點向下施加應力。上部彎曲點沿著底部點跨越第三條路徑，允許使用第三跨度方程式來計算楊氏模量

圖：從用於 4 點彎曲測量的類型的貽貝殼切下樑

這種方法在捕捉雙殼貝殼微觀結構的真實幾何形狀方面有其限制，基於 FEA 的均質化分析提供了更可靠的解決方案，因為它基於從 X 射線斷層掃描中獲得的實際微觀結構，該方法考慮了雙殼類典型的多種微觀結構，以及它們如何結合在一起為不同環境創造適應性優勢。

使用 Simpleware 軟體進行基於 X 光影像的分析

為了獲得這些結果，使用 Bruker SKYSCAN 1172 micro-CT 機掃描雙殼貝殼，產生微觀結構的 3D 影像，然後將資料匯入 Simpleware ScanIP 以執行影像處理技術，包括閾值處理和分割，以識別貝殼的不同階段。分割後使用 Simpleware FE 模組對影像資料進行網格劃分，確保網格可以在模擬工具中使用。

圖：CT 掃描中耳廓棱柱結構的分割和網格生成：（a）有機材料（深灰色）可以與方解石棱柱（淺灰色）區分開。長方體的尺寸為 0.4 x 0.4 x 0.27 mm3； (b-d) 不同結構的有限元素分析模型； (e) 由有限數量的四面體單元定義的兩個相

在本例中使用了 Simpleware SOLID 模組（該軟體提供的一組實體模組的一部分），因為它能夠透過使用（模擬的）外力來計算複合結構的有效剛度張量。在這項研究中 Simpleware SOLID 基於有限元的均質化工具，對於從高品質 X 射線斷層掃描資料獲得有關殼的獨特微觀結構的結果特別有價值。然後這些數據被用來對外殼的更大部分進行建模，從而減少工作流程運行時間並降低硬體需求。

結論

劍橋大學開發的工作流程能夠準確地模擬殼體內的壓縮和拉伸應力，並了解如何透過材料中的相分佈來管理應變，分析還揭示了晶內有機材料如何影響整個微觀結構的剛度，以及棱柱微觀結構引起的性能的極端各向異性，與對捕食者撞擊造成的損害的抵抗力相比，軟體動物殼的彈性特性如何適應具有游泳能力的物種獲得了具體的見解。