多天然材料在多个不同层级构造观察矿物显微镜
层级构造
很多天然材料在多个不同的纵向尺度上具有特征鲜明的结构，可以将其标识
为“层级”构造。典型的例子有木、骨或肌腱。层级平面通常以非常不同的构
造形式连接在一起，构成一个层级复合物，可以满足高度复杂的、形式多样的功
能性要求。一般来说，层级构造对有机材料所具有的极其优异的力学性能起着非
常重要的作用。不过，目前对层级平面相互之间作用的了解还很少，因
为在试验中很难将单个的结构平面分离出来。
对于轻量化概念来说，特别令人感兴趣的是：一个层级构造是否可以提高材
料的力学性能。如果是的话，那么它是如何提高材料力学性能的。首先可以用基
于简化分级模型结构的数学公式来进行研究。分级模型具有结构化的层级平面。
与有机材料中的层级平面不同，分级模型中的结构化层级平面彼此相似。以蜂窝
结构为例，其胞壁也是由蜂窝构成的，而蜂窝的胞壁则是由更小的蜂窝构成的
(以此类推)。雷克斯,引展示了一个分级蜂窝结构，增加层级平面的数量可以提
高压力下的相对强度(对应于实体材料的强度)。造成这一现象的原因
是这种结构形式阻碍了压弯。定向的泡沫结构显示出了类似的积极效果，只是效
果不那么大，如骨小梁的情形。当层级平面的数量增加时，在弯曲载荷作用
下的平板的层级斜撑结构以及在压力载荷作用下的层级壳形结构(在一定的前提
条件下，如在至少部分压载荷下的弹性变形)的力学性能都得到了提高。
分级构造可以节约材料。据此可以推测，由于拥有很多结构不同的层级平
面，有机材料还可以拥有更大的优化潜力。因为从原则上来说，在不同的纵向尺
度上也可以对其他的参数进行优化。优化的结果表现在性能组合上会产生很多优
点：例如，骨的强度比它的单一基本组件(骨胶原，羟磷灰石矿物质)的强度都要
高，同时在刚度和韧性之间达到了非常好的妥协。
