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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。
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