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多天然材料在多個不同層級構造觀察礦物顯微鏡層級構造 很多天然材料在多個不同的縱向尺度上具有特征鮮明的結構，可以將其標識為“層級”構造。典型的例子有木、骨或肌腱。層級平面通常以非常不同的構造形式連接在一起，構成一個層級復合物，可以滿足高度復雜的、形式多樣的功能性要求。一般來說，層級構造對有機材料所具有的極其優(yōu)異的力學性能起著非常重要的作用。不過，目前對層級平面相互之間作用的了解還很少，因為在試驗中很難將單個的結構平面分離出來。 對于輕量化概念來說，特別令人感興趣的是：一個層級構造是否可以提高材料的力學性能。如果是的話，那么它是如何提高材料力學性能的。首先可以用基于簡化分級模型結構的數(shù)學公式來進行研究。分級模型具有結構化的層級平面。與有機材料中的層級平面不同，分級模型中的結構化層級平面彼此相似。以蜂窩結構為例，其胞壁也是由蜂窩構成的，而蜂窩的胞壁則是由更小的蜂窩構成的(以此類推)。雷克斯,引展示了一個分級蜂窩結構，增加層級平面的數(shù)量可以提高壓力下的相對強度(對應于實體材料的強度)。造成這一現(xiàn)象的原因是這種結構形式阻礙了壓彎。定向的泡沫結構顯示出了類似的積極效果，只是效果不那么大，如骨小梁的情形。當層級平面的數(shù)量增加時，在彎曲載荷作用下的平板的層級斜撐結構以及在壓力載荷作用下的層級殼形結構(在一定的前提條件下，如在至少部分壓載荷下的彈性變形)的力學性能都得到了提高。 分級構造可以節(jié)約材料。據(jù)此可以推測，由于擁有很多結構不同的層級平面，有機材料還可以擁有更大的優(yōu)化潛力。因為從原則上來說，在不同的縱向尺度上也可以對其他的參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化的結果表現(xiàn)在性能組合上會產(chǎn)生很多優(yōu)點：例如，骨的強度比它的單一基本組件(骨膠原，羥磷灰石礦物質(zhì))的強度都要高，同時在剛度和韌性之間達到了非常好的妥協(xié)。
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