日本北海道大学与富山大学的研究团队近日在软硬复合材料研究领域取得进展，通过建立最小三维模型揭示了该类材料的增韧机制。该研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》。

自然界中的生物材料如骨骼和珍珠层通过软硬成分的多层组合实现强度与韧性的平衡，这一特性为人工复合材料设计提供了重要参考。然而，由于材料内部结构的复杂性和多尺度相互作用，增韧机制的核心原理长期以来未能明确。

研究团队由北海道大学先端生命科学部田福成博士、龚建平教授及富山大学佐藤胜彦教授领导。他们构建了一个简化的三维软硬复合材料模型，通过线性弹性软硬元素的随机分布，聚焦于材料增韧的基本物理原理。该模型成功再现了韧性复合材料的典型力学行为，包括机械滞后效应和脆韧转变特性。

研究发现，当软相与硬相达到特定机械平衡时，材料发生脆韧转变;最佳增韧效果出现在软硬组分特定比例下，此时复合材料韧性可超越各组分的单独性能。田福成博士表示："尽管模型基于线性弹性体系，但其结果与非线性软硬复合材料的实验数据高度一致，这揭示了增韧机制背后的通用原理。"

基于上述发现，团队绘制了"增韧相图"，为材料设计提供实用指南，指明组分刚度与韧性的最优组合范围。该模型普适性表明其原理可广泛应用于各类复合材料设计。

研究成果预计将推动航空航天、汽车工业等领域高性能材料发展，同时在组织工程和医疗设备等需要高韧性凝胶的生物医学领域具有应用潜力。

更多信息： Fucheng Tian 等，《软硬复合材料的基本增韧景观：从最小框架的洞察》，《美国国家科学院院刊》(2025)。期刊信息： 美国国家科学院院刊