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。
分級構造可以節約材料。據此可以推測，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進行優化。優化的結果表現在性能組合上會產生很多優
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)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。
