蜂窩結(jié)構(gòu)，眾所周知，是自然界中結(jié)構(gòu)最為簡單卻應(yīng)用極為廣泛的周期性多孔材料。天然蜂窩，對于儲存蜂蜜、花粉以及撫養(yǎng)幼蟲，有著不可或缺的作用。其由六邊形結(jié)構(gòu)周期性排列構(gòu)成，從生物進化角度來看，堪稱自然界中最為神奇的完美結(jié)構(gòu)之一。長期以來，它吸引著數(shù)學家與生物學家的目光。

蜂窩結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)對稱、緊密排列的六邊形柱體有序組成，這種獨特構(gòu)造使結(jié)構(gòu)本身能夠分散承擔更多外部載荷。相較于圓形和三角形結(jié)構(gòu)，蜂窩結(jié)構(gòu)抵抗外部擠壓力的能力要高得多。它具有比強度高、比剛度高和穩(wěn)定性好的特點?？茖W家受此啟發(fā)，設(shè)計制造出高強度、輕重量且隔音隔熱效果良好的蜂窩結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。此外，蜂窩結(jié)構(gòu)作為二維平面的最佳拓撲結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面也得到廣泛應(yīng)用。

貝殼類生物，作為常見的軟體腹足類和雙殼類動物，其外部的殼是抵抗外界沖擊的堅固盔甲，也是生物界常見的保護結(jié)構(gòu)。軟體動物的身體大多被外殼包裹，以此免受海洋中巨大潮汐力的作用，躲避天敵攻擊。同時，其外殼具有良好的耐壓耐磨性能，因而引起科研人員的普遍關(guān)注。

科研人員對貝殼的斷面進行觀察，發(fā)現(xiàn)殼由三層組成。最外層是主要成分為蛋白質(zhì)的角質(zhì)層；中間層為柱狀方解石構(gòu)成的棱柱層；內(nèi)層是文石晶片層，即珍珠母層。最內(nèi)層的珍珠母層有類似“磚 - 泥”交錯排布的微觀結(jié)構(gòu)，文石晶片作為“磚塊”起主要承載功能，晶片之間的有機物像泥灰一樣起到粘接作用。

這種獨特的微觀結(jié)構(gòu)賦予貝殼珍珠層優(yōu)異的力學性能?？蒲腥藛T深入研究后發(fā)現(xiàn)，它是一種典型的有機 - 無機復(fù)合材料，由95%的碳酸鈣（文石晶體）和5%的生物高分子材料（主要成分是蛋白質(zhì)和多糖）組成。盡管脆性的礦物質(zhì)片層在貝殼珍珠層中含量極高，生物大分子材料含量很低，但其韌性卻是單一硬物質(zhì)片層組成結(jié)構(gòu)的3000多倍。這種優(yōu)異的力學韌性吸引了力學家和生物學家等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。研究表明，珍珠層韌性的大幅提高源于其交錯結(jié)構(gòu)。在承受荷載時，硬物質(zhì)錯動時相互制約并吸收大量能量，大大提高了珍珠層的韌性。貝殼的珍珠母層結(jié)構(gòu)強度和斷裂韌度明顯高于其單一組成成分，是一種具有多級結(jié)構(gòu)且性能優(yōu)異的天然生物結(jié)構(gòu)材料。

經(jīng)過數(shù)億年的自然選擇與進化，動植物體內(nèi)形成了具有獨特生物結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。微觀尺度的差異造就了它們自身優(yōu)異的力學性能，這種生物進化的復(fù)雜程度歸因于外部威脅（如食肉動物或潮汐沖擊）施加的進化壓力，從而提高了相應(yīng)生物體的存活率。

生物的進化過程并非單一事件，而是隨時間推移多次出現(xiàn)。每一種不同的軟體動物殼微結(jié)構(gòu)，如棱柱、珍珠層或交叉片層，都代表了一種進化，這種進化成功解決了生物體面臨的困境。除了珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究最深入的軟體動物外殼結(jié)構(gòu)還有其他非珍珠質(zhì)外殼微結(jié)構(gòu)，如均質(zhì)、葉狀、棱柱狀、交叉層狀和復(fù)雜交叉層狀，這些結(jié)構(gòu)可能為材料設(shè)計和合成帶來新的靈感。

五種貝殼微觀結(jié)構(gòu)中，交叉片層微觀結(jié)構(gòu)最為常見，其斷裂韌性在所有軟體動物的貝殼微觀結(jié)構(gòu)中最高。鳳凰螺作為腹足類貝殼動物，是交叉片層微觀結(jié)構(gòu)的代表種類。它生活在熱帶或亞熱帶海域，喜歡在溫暖水域和淺海泥質(zhì)或礫質(zhì)海底活動，棲息環(huán)境從潮間帶至淺海沙、泥沙和珊瑚礁環(huán)境均有。其獨特的交叉片層結(jié)構(gòu)使殼具有很好的韌性，在鳳凰螺殼中已確定內(nèi)部三種不同的層級結(jié)構(gòu)?！叭壠瑢印贝碜畹图墑e的組織結(jié)構(gòu)，由精細的有機層分隔的板條狀單晶文石或?qū)\晶組成，這些晶體結(jié)合成多晶束，稱為“二級片層”，這些多晶束的“二級片層”依次堆疊形成“一級片層”。

交叉片層微觀結(jié)構(gòu)具有卓越韌性，其原因引起眾多研究人員關(guān)注。Osuna - Mascaró和S.Kamat等人研究了鳳凰螺的組成成分和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，與其他貝殼相似，鳳凰螺由礦物相和有機基質(zhì)組成，內(nèi)部具有層次化的交錯層狀結(jié)構(gòu)。通過彎曲實驗，S.Kamat等人發(fā)現(xiàn)，鳳凰螺結(jié)構(gòu)在低載荷作用下殼體外層出現(xiàn)多個微裂紋，而在高載荷下殼體較堅韌的中層出現(xiàn)裂紋橋聯(lián)，大大提高了鳳凰螺殼體的斷裂功。因此，這種多層交叉層合結(jié)構(gòu)在載荷作用下的裂紋擴展會消耗大量能量，這可能是鳳凰螺具有中等強度和卓越韌性的重要原因。Scott等人進一步證實，鳳凰螺的優(yōu)異韌性與其獨特的交叉層狀結(jié)構(gòu)密不可分，其中層級交錯結(jié)構(gòu)之間的裂紋偏轉(zhuǎn)是耗能的關(guān)鍵因素。然而，以往研究多集中在鳳凰螺材料的組成成分上，或主要對內(nèi)部裂紋的擴展和材料的破壞機理進行分析，很少對這種典型的交錯疊層結(jié)構(gòu)的變形破壞以及強韌化機理進行深入分析。此外，天然鳳凰螺殼體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對固定，不可改變，這給探索代表性單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其材料力學性能的影響機理和優(yōu)化策略帶來挑戰(zhàn)。

近些年來，隨著科技迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)制作工藝，如鑄造模具和手工加工，因加工周期長且摻雜人主觀因素，在某些領(lǐng)域已不再占據(jù)優(yōu)勢。隨著航空航天、軌道交通以及軍事國防等領(lǐng)域?qū)α慵庸ぞ纫笤絹碓礁撸?D打印的制造方法應(yīng)運而生。3D打印技術(shù)，也被稱為添加制造技術(shù)（AM），其制備的零件根據(jù)所需零件的幾何尺寸直接在相應(yīng)的數(shù)字化建模軟件中構(gòu)建，無需借助其他工具。該制造技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠制造出幾何形狀復(fù)雜的零件，無需因大規(guī)模生產(chǎn)而增加產(chǎn)品成本和時間損失，同時還能最大限度地減少產(chǎn)品開發(fā)周期和材料損耗。

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