传统金属、陶瓷、聚合物等材料体系，强度和韧性难以兼顾。贝壳（珍珠母）、骨头、龟壳背甲角质层等一类生物材料，通过“砖-泥”软硬相堆叠结构实现了良好的强韧匹配，为轻质-高强韧一体化结构材料的设计提供了创新思路。

然而，实验发现不同种类的生物材料软相界面层的构筑方式存在显著差异：珍珠母及骨材料内的软相界面为连续分布，而龟壳角质层内的软相界面呈现离散分布的特征。砖-泥堆叠结构生物材料如何选择连续或离散界面？其物理力学机制成为关键的基础科学问题。

近期，我院陈少华教授课题组建立了一种离散界面的砖-泥堆叠结构力学剪滞模型（图1），其极限情况则为连续界面剪滞模型。根据砖-泥堆叠结构生物材料的软硬相力学性能，采用线弹性本构和理想弹塑性本构分别表征硬相微片和软相界面层性质，硬相将发生脆性断裂，而软相将发生塑性断裂，理论结合实验分析了离散界面多个特征参数对砖-泥堆叠结构材料断裂性能的影响。

结果发现：当软硬相弹性模量相差较大时，连续界面有利于砖-泥堆叠结构材料的强韧匹配（图2）；当软硬相弹性模量比较接近时，离散界面有利于砖-泥堆叠结构材料的强韧协调（图2）。进一步应用真实生物材料的力学参数验证了上述结论：珍珠母材料的软硬相模量差别显著，自然选择了连续界面的构筑方式（图3）；而龟壳角质层软硬相模量比较接近，离散界面结构更有利于强韧性能的协同优化（图3）。

该工作揭示了自然界砖-泥堆叠结构生物材料选择离散或连续构筑界面的力学机理，为轻质-高强韧一体化新型结构材料的创新设计提供了理论基础。

上述成果以“How to select discrete or continuous interfaces in biological materials to achieve a strength-toughness tradeoff”为题，发表在固体力学领域顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2024) 183, 105502。（文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105502）

课题组相关代表性成果亦可参考Mechanics of Materials (2023) 176, 104530；Engineering Fracture Mechanics (2023) 285, 109302；Acta Mechanica Sinica (2023) 39(10), 623097；Mechanics of Advanced Materials and Structures (2023) https://doi.org/10.1080/15376494.2023.2166168；中国科学, (2020) 50, 090012等。

图1 砖-泥堆叠结构材料的离散界面剪滞模型：（a）堆叠结构的代表性体元；（b）微片硬相与界面软相的本构关系；（c）离散界面段的变形规律（褐色表示塑性变形，黄色表示弹性变形）。

图2 部分粘附界面（n=1）的理论与实验结果：（a）砖-泥复合结构材料的断裂强度和断裂韧性随离散界面粘接长度的变化规律；（b）具有部分粘附界面的3D打印试样（硬软相力学性能接近）及其强韧性能随界面粘接长度变化的实验结果。

图3  自然生物材料的力学性能预测：（a）珍珠母材料选择离散或连续界面的力学性能；（b）龟壳角质层选择离散或连续界面的力学性能。