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ブーリガンド構造
Bouligand_structure Bouligand構造が積層して回転させる微細構造頻繁に自然に設計された材料において見出される類似し合板、。複数のラメラ、または層で構成され、各層は整列した繊維で構成されています。隣接するラメラは、隣接するラメラに対して徐々に回転します。この構造は、材料の機械的特性、特にその耐破壊性を強化し、強度と面内等方性を可能にします。これは、以下を含む様々な天然の構造で発見されcosmoid規模のシーラカンス、とのダクティルクラブシャコと他の多くのシャコ。 Bouligand構造モデルと SEMののダクティルクラブに見られるような構造の画像 シャコ。 その望ましい機械的特性のために、耐障害性のバイオインスパイアード材料の作成において、ブーリガンドの配置を複製する試みが進行中です。たとえば、この構造を利用した層状複合材料（CFRPなど）は、衝撃特性が向上していることが示されています。しかし、小さな長さのスケールで構造を複製することは困難であり、製造技術の開発と進歩は、この望ましい構造を複製する能力を継続的に改善します。
コンテンツ 1 機械的性質 1.1 強化メカニズム1.1.1 耐衝撃性 1.1.2 適応性 1.2 シングル対ダブルブーリガンド構造 2 自然界の例 2.1 節足動物2.1.1 カニ 2.1.2 ロブスター 2.1.3 シャコ 2.2 魚2.2.1 アラパイマ 2.2.2 鯉 3 生体模倣 3.1 アディティブマニュファクチャリング3.1.1 ピッチ角 3.2 バッテリー電極 3.3 ナノセルロースフィルム 4 参考文献
ダクティルクラブのブーリガンド構造のピコインデンテーション 多くの天然素材に見られるブーリガンド構造は、その一部である素材全体に非常に高い靭性と耐破壊性を付与していると考えられています。この靭性が発生するメカニズムは多数あり、構造の靭性の主な原因として特定されているメカニズムはまだ1つもありません。構造が破壊に抵抗するこれらの経路を決定するために、計算作業と物理実験の両方が行われ、合成の頑丈なブーリガンド構造を利用できるようになりました。 何らかの形の亀裂たわみは、ブーリガンド構造の主な強化メカニズムと考えられています。 たわみは、亀裂の傾きや亀裂の橋渡しの形をとることが前者では、亀裂は繊維面の方向に沿って伝播します。マトリックス材料との界面で。先端でのエネルギー解放率が十分に低くなると、亀裂は繊維方向に沿って伝播できなくなり、亀裂ブリッジに切り替える必要がこのモードでは、亀裂の方向が大幅に変化し、繊維を切断して新しい平面に到達し、それに沿って伝播します。ブーリガンド構造における亀裂傾斜と亀裂架橋の組み合わせは、ひどく歪んで拡大した亀裂をもたらします。これにより、伝播する亀裂によって作成される新しい表面積が、真っ直ぐな亀裂に比べて劇的に増加します。それ以上の伝播をますます不利にし、ひいては材料を強化します。 単一の亀裂が方向を変え、より曲がりくねった経路をたどるだけの亀裂のたわみに加えて、ブーリガンド構造は、複数の亀裂が形成されてそれらが合体するのを防ぐこともできます。これはクラックツイストと呼ばれることも 本質的に付随する亀裂のたわみ、傾斜、ブリッジング、およびねじれは、破壊モードの混合です。 破壊モードには、開口部、面内せん断、および面外せん断が含まれます。亀裂の橋渡し、傾斜、ねじれによるこれらのモードの混合はすべて、材料が受ける応力場を非常に複雑にします。1つのラミネート面にかかる力を分散させるのに役立ちます。
ブーリガンド構造ナノセルロースフィルムのピッチの関数としての密度、比 弾道限界速度、および比エネルギー吸収 材料の耐衝撃性は、一般に、応力が加えられる速度によって強化とは異なります。衝撃試験では、応力またはひずみのいずれかがサンプルに加えられる速度は、いわゆる静的試験よりもはるかに高くなります。ブーリガンド構造に形成された合成ナノセルロースフィルムでは、ピッチ角が増加するにつれて、フィルムが互いにきちんと積み重ねることができないため、密度がほぼ一定の値に急速に低下することが示された。この値は、42度から60度の間で再び上昇し、より高い角度で再安定します。この密度の低下は、特定の弾道限界速度と特定のエネルギー吸収の両方の急激な増加を伴います。ブーリガンド構造の最低密度に相関する18〜42度の比較的小さな角度も、耐衝撃性のために作られた従来の合成準等方性構造よりも優れた耐衝撃性と優れたエネルギー吸着を有することが示されています。耐衝撃性のために実験的に最適化されたこの角度範囲は、ブーリガンド構造の自然な例に見られる繊維層間の角度範囲と一致しています。 ブーリガンド構造を強化する別の手段は、せん断波フィルタリングによるものです。 Bouligand構造の周期的で階層的な性質は、高強度の動的負荷の際に特に効果的なせん断波フィルタリング効果を生み出します。力が加えられると、せん断状態にある特定の周波数が層状構造を透過することが許可されず、透過エネルギーにバンドギャップが生じ、システムが感じる有効エネルギーが減少します。層のピッチ角、層の厚さ、および材料に存在する層の数はすべて、どの周波数がフィルターで除去されるかに影響します。
適応性 ローディング中のブーリガンド構造の調整は、小角X線散乱（SAXS）を使用して測定されています。2つの調整効果は、コラーゲン原線維と引張軸の間の角度の変化と、コラーゲン原線維の伸長です。これらの調整が行われるメカニズムは4つ フィブリルはフィブリル間せん断のために回転します：引張力が加えられると、フィブリルは回転して引張方向に整列します。変形中、加えられた応力のせん断成分により、フィブリル間の水素結合が破壊され、フィブリル調整後に再形成されます。 コラーゲンフィブリルが伸びる：コラーゲンフィブリルは弾性的に伸びることができ、その結果、フィブリルは引張方向に整列するように再配向します。 フィブリル間ギャップの引張開口部：引張方向と非常に誤った方向に向いたフィブリルが分離して、開口部を形成する可能性が 「交感神経」ラメラ回転：ラメラは、引張方向に向けて向きを変えている2つのラメラの間に挟まれている場合、引張方向から離れて回転することができます。これは、これらのラメラ間の結合が高い場合に発生する可能性が Ψは、引張軸とコラーゲン原線維の間の角度を指します。メカニズム1と2は両方ともΨを減少させます。メカニズム3および4は、フィブリルが引張軸から離れる方向に移動する場合と同様に、Ψを増加させる可能性がΨが小さいフィブリルは弾性的に伸びます。隣接するラメラは、ひずみ異方性の関数であるポアソン比に従って収縮するため、Ψが大きいフィブリルは圧縮されます。
シングル対ダブルブーリガンド構造 自然界に見られる最も一般的なブーリガンド構造は、層間に一定の角度のずれがあるツイスト合板構造です。この構造のまれなバリエーションは、シーラカンスに見られるいわゆる「ダブルツイスト」ブーリガンド構造です。この構造は、2つのスタックをユニットとして使用し、一定のミスアライメント角度で相互にねじれます。この場合、これらの各ユニットの2つのフィブリル層は、フィブリルの配向が互いに垂直になるように配置されます。 シングルツイストブーリガンド構造とダブルツイストブーリガンド構造の機械的な違いが観察されています。ダブルブーリガンド構造は、より一般的なシングルブーリガンド構造よりも剛性が高く、丈夫であることが示されました。剛性の増加は、柔軟性の低下も伴います。強度の増加は、ねじれた繊維面に垂直に、層のスタックを上下に走る「バンドル間フィブリル」の構造への追加に部分的に起因しています。これらの繊維束は、フィブリル間の滑りに必要なエネルギーを大幅に増加させることにより、構造をまとめるのに役立ちます。これらの束は、合板の配置の二重ねじれの性質と相まって、亀裂が各層で劇的に成長したい方向をシフトします。 構造は、単一のねじれたブーリガンド構造とほとんど同じように形成できるが、不整合の角度が一定ではないことも観察されている。この特定の構造の違いが機械的特性にどのように影響するかはまだ不明です。 自然界の例編集
節足動物 anthropod 外骨格は非常に階層的です。多糖類キチンフィブリルはタンパク質と配列して繊維を形成し、繊維は合体して束になり、次に束は水平面に配列し、ヘリコイド状に積み重ねられて、ねじれた合板のブーリガンド構造を形成します。繰り返しのブーリガンド構造は、外皮と内皮を形成します。エクソキューティクルとエンドキューティクルのブーリガンド構造の違いは、両方の領域の機械的特性を分析するために重要であることがわかっています。 節足動物は、環境からの保護、機械的負荷のサポート、および体の構造を提供する外骨格を持っています。エピキューティクルと呼ばれる外層は薄くてワックス状で、主要な防水バリアです。以下は、体の主要な構造要素として設計されたプロキューティクルです。プロキューティクルは、外側のエクソキューティクルと内側のエンドキューティクルの2つのセクションで構成されています。外皮は内皮よりも密度が高い。内膜は外骨格の約90体積％を占めています。エキソキューティクルとエンドキューティクルはどちらもブーリガンド構造で作られています。
カニ でカニの外骨格、方解石および非晶質炭酸カルシウムキチンタンパク質階層マトリックス中に堆積鉱物です。羊のカニ（Loxorhynchun grandis）は、他のカニと同様に、異方性の高い外骨格を持っています。カニの外皮の（xy）平面のブーリガンドラメラ間の間隔は約3-5μmですが、内皮のラメラ間の間隔ははるかに大きく、約10-15μmです。エクソキューティクルの間隔が狭いほど、エクソキューティクルのラメラ密度が高くなります。内キューティクルよりも外キューティクルの硬度測定値が高く、これは外キューティクルのミネラル含有量が高いことに起因します。これにより、外骨格の表面の耐摩耗性と硬度が高くなり、カニの保護が強化されます。ストレス下では、ブーリガンド平面は通常のバンドル破壊またはバンドル分離メカニズムを介して失敗します。ブーリガンド面の異方性構造と不連続性、およびこの界面での間隔のために、外皮-内皮界面が最も重要な領域であり、通常、最初に障害が発生する領域です。 z方向では、多孔質の細管が外骨格を貫通するブーリガンド面に垂直に存在します。これらの尿細管の機能は、脱皮プロセス中にイオンと栄養素を新しい外骨格に輸送することです。らせん構造を有するこれらの細管の存在は、張力の間に延性のネッキング領域をもたらす。延性の程度が増すと、カニの外骨格の靭性が増します。
ロブスター Homarus americanus（アメリカンロブスター）は、上記カニに似た外骨格構造を有する節足動物であり、同様の傾向は、エンド-およびエキソキューティクルを比較しています。アカザエビの外骨格の構造的/機械的特性に関する重要な注意点は、ブーリガンド面によって形成されたハニカム構造の影響です。アカザエビの外皮の剛性値は、8.5〜9.5 GPaの範囲であり、内皮は3〜4.5GPaの範囲です。ハニカムネットワークの勾配、特にエンドキューティクルとエキソキューティクルの間の界面での勾配が、構造間のこの不一致の理由であると考えられています。
シャコ シャコには、獲物を狩るために使用される胸部付属肢が付属肢は、種に応じて、槍のようなものでも、槍のようなものでもかまいません。 棍棒のような付属肢、または「ダクティルクラブ」を備えたシャコは、軟体動物やカニなどの獲物の殻を粉砕するためにそれを使用します。孔雀カマキリエビはダクティルクラブを有するカマキリエビの種です。クラブは、獲物に対する打撃に関連する高応力波の下での破壊に耐えることができます。これは、ブーリガンド構造を組み込んだ地域を含むクラブの多地域構造により可能になります。 クラブの外側の上部領域は、インパクト領域と呼ばれます。影響領域は、サポートされている周期ゾーンと縞模様の領域です。周期的な領域は、クラブの内側の影響領域の下に縞模様の領域は、周期領域の端を囲むクラブの側面に存在します。 衝撃領域は約50〜70μmの厚さで、高度に結晶化したヒドロキシアパタイトで作られています。周期領域は、アモルファス炭酸カルシウム相によって支配されています。 アモルファス鉱物相に囲まれているのは、ブーリガンド構造を構成するキチンフィブリルです。周期領域の層状配置は、ファイバーの180°回転の競合に対応します。インパクト領域も同様の構造ですが、ピッチ距離が大きくなっています（180°回転する間の長さ）。横紋領域は、高度に整列した平行キチン繊維束でできています。 クラブ付属物は、そのブーリガンド構造の周期性とキラリティーのために、せん断波フィルタリングによって高強度の負荷に耐えることができます。壊滅的な亀裂の成長は2つの方法で妨げられます。キチン繊維の層間のらせん構造に亀裂成長が続く場合、亀裂長さあたりの大きな表面積が生成されます。したがって、クラブの衝撃と亀裂の伝播中に消費される総エネルギーは高くなります。亀裂が隣接する層を伝播すると、弾性率の振動により成長が妨げられます。Bouligand構造は異方性剛性を持っているため、層全体で弾性率が振動します。全体的な損傷許容性が向上し、キチン繊維の配向に関連する成長方向に応じて亀裂が伝播します。
アラパイマ ピラルクーの魚の外側のスケールがピラニアに刺さに耐えるように設計されています。これは、スケールの階層アーキテクチャによって実現されます。スケールの薄さとそれらの重なり合う配置は、移動中の柔軟性を可能にします。これは、捕食者が攻撃したときに単一のスケールがどれだけ曲がるかにも影響します。 ピラルクー種では、各鱗には2つの異なる構造領域があり、その結果、穿刺や曲がりに強い鱗ができます。外層は約0.5mmの厚さで、高度に鉱化されているため、硬くなり、捕食者の歯の骨折を促進します。内層は約1mmの厚さで、ブーリガンド構造に配置されたミネラル化コラーゲンフィブリルでできています。フィブリルでは、コラーゲン分子にヒドロキシアパタイトミネラルナノ結晶が埋め込まれています。コラーゲン原線維は同じ方向に整列して、厚さ約50μmのコラーゲンラメラの層を作ります。ラメラは向きがずれて積み重なっており、ブーリガンド構造になっています。 攻撃中にスケールが曲がると、波形の形態により応力が分散されます。最大の変形は、内核層で発生するように設計されています。内層は、脆い外層よりも多くの塑性変形をサポートできます。これは、Bouligand構造が、加えられた力に適応するように層状層を調整できるためです。 ローディング中のブーリガンド構造の調整は、小角X線散乱（SAXS）を使用して測定されています。調整が行われる4つのメカニズムは、フィブリルの回転、コラーゲンのフィブリルの伸長、フィブリル間の引張り開口、および交感神経のラメラの回転です。 荷重環境に適応するフィブリルは、ラメラの柔軟性を高めます。これは、スケールの曲げに対する耐性に寄与するため、耐破壊性が向上します。全体として、外側のスケール層は硬くて脆いのに対し、内側の層は延性があり丈夫です。
鯉 同様のブーリガンド構造がコイ（Cyprinus carpio）の鱗に見られました。アラパイマと比較して、コイの鱗のミネラル含有量は低く、引張試験での総エネルギー散逸が高く、フィブリルの伸展性が高くなっています。
アディティブマニュファクチャリング アディティブマニュファクチャリングは、AM部品の複雑な形状と独自の性能特性を可能にする、人気のある今後の業界形態です。 AM部品の機械的特性に関する主な問題は、堆積した材料の層内に微細構造の不均一性が導入されることです。多孔性および固有の界面を含むこれらの欠陥は、ワークピースの機械的応答の異方性をもたらし、これは望ましくない。この異方性の機械的応答に対抗するために、ブーリガンドに着想を得たツールパスを使用して、ツイストブーリガンド構造で材料を堆積します。これにより、応力偏向点として層間の不均一性を使用する応力伝達メカニズムが生じ、これらの点でワークピースが強化されます。Bouligandツールパスは、特にセメント/セラミック蒸着AMで使用されます。ブーリガンドに着想を得たAM部品は、機械的応力下で鋳造要素よりも良好に動作することが観察されています。
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