【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】防護用工程結(jié)構(gòu)材料通常面臨復(fù)雜的服役環(huán)境?，F(xiàn)有的工程防護材料多采用層壓板結(jié)構(gòu)、晶胞結(jié)構(gòu)以及三明治結(jié)構(gòu)等設(shè)計方案。相關(guān)材料雖然具有優(yōu)異的抗沖擊性能，但仍受限于層間開層、質(zhì)量過重以及強韌互斥等問題隱患，逐漸難以滿足日益復(fù)雜的服役環(huán)境需求。
 

　　自然界中的生物裝甲為研制抗沖擊材料提供了豐富的靈感來源。其中，鱗片作為魚類的最外部“防護裝備”，起著保護底層軟組織的關(guān)鍵作用，引起了研究人員廣泛關(guān)注。在結(jié)構(gòu)上，魚鱗中的膠原納米纖維通常單向聚集成薄層進而螺旋堆疊組裝為有序布利岡(Bouligand)結(jié)構(gòu)并通過纖維基元滑移、形變、扭轉(zhuǎn)和再定向等實現(xiàn)增韌。除了這種單一布利岡結(jié)構(gòu)，近年研究人員還在“古化石”腔棘魚中發(fā)現(xiàn)了獨特的雙重布利岡結(jié)構(gòu)，它由兩套單一布利岡結(jié)構(gòu)互相嵌套構(gòu)成。研究人員通過準靜態(tài)力學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)單一布利岡結(jié)構(gòu)(如巨骨舌魚鱗片的結(jié)構(gòu))具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能。然而，目前關(guān)于雙重布利岡結(jié)構(gòu)的動態(tài)力學(xué)性能研究以及更廣泛的布利岡大類結(jié)構(gòu)在寬譜加載速度下的防護性能研究依然缺乏。深入挖掘生物布利岡結(jié)構(gòu)智慧，設(shè)計制備可以在復(fù)雜環(huán)境下使用的防護工程結(jié)構(gòu)材料具有重要的科學(xué)意義與實用價值。
 

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊基于前期在仿生布利岡結(jié)構(gòu)材料研究基礎(chǔ)上，協(xié)同考慮纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計與組分調(diào)控，提出了一種獨特的梯度雙重布利岡(DT-Bou-G)結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，探索通過協(xié)同強韌化機制實現(xiàn)寬譜加載速度下高性能防護結(jié)構(gòu)材料的可行性(圖1)。研究團隊以軟質(zhì)熱塑性聚氨酯(TPU)和硬質(zhì)聚乳酸(PLA)為基本模型原料，通過雙料熔融噴頭3D打印技術(shù)，實現(xiàn)目標材料組分由硬PLA向軟TPU逐漸轉(zhuǎn)變(梯度變化)并最終構(gòu)筑出新型仿生DT-Bou-G復(fù)合材料。該復(fù)合材料較正交結(jié)構(gòu)(UL)、單一布利岡結(jié)構(gòu)(BOU)、雙重布利岡結(jié)構(gòu)(DT-Bou)以及雙重布利岡交替結(jié)構(gòu)(DT-Bou-A)材料而言，在準靜態(tài)力學(xué)測試(單邊開口梁)、低速沖擊測試(擺錘沖擊和落錘沖擊)和高速沖擊測試(子彈沖擊)中都展現(xiàn)出更強的防護性能。相關(guān)研究成果以“Gradient double-twisted Bouligand structural design for high impact resistance over a wide range of loading velocities”為題發(fā)表在國際期刊《科學(xué)進展》上，論文的第一作者是校化學(xué)系博士后文韶萌和近代力學(xué)系博士生高偉韜，通訊作者為合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員陳思銘、近代力學(xué)系教授鄭志軍和俞書宏院士。
 

圖1.全速度抗沖擊結(jié)構(gòu)材料仿生設(shè)計策略及防護機理示意。
 

　　研究表明，DT-Bou-G結(jié)構(gòu)材料在多種沖擊速度下都表現(xiàn)出更高的能量吸收(圖2A-C)。在低速擺錘沖擊及落錘沖擊測試中，DT-Bou-G結(jié)構(gòu)可以通過獨特的橫向纖維阻攔機制實現(xiàn)增強增韌(圖2D)。而在高速子彈沖擊測試中，纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計難以發(fā)揮抵抗載荷的作用。此時，纖維的梯度組分變化變得更為重要，它能夠有效降低沖擊力并吸收能量，為DT-Bou-G結(jié)構(gòu)材料帶來了優(yōu)異的防護效果(圖2E-F)。同時，相較交替結(jié)構(gòu)設(shè)計(DT-Bou-A)，這種具有梯度組分特征的DT-Bou-G結(jié)構(gòu)可以有效避免防護材料中常見的脫層現(xiàn)象(圖2G)。研究團隊進一步進行了有限元模擬研究，發(fā)現(xiàn)在低速落錘沖擊時，具有梯度組分特征的DT-Bou-G結(jié)構(gòu)可以通過更大的應(yīng)力分布范圍耗散更多的能量(圖2H)；而在高速子彈沖擊中，UL、S-Bou和DT-Bou結(jié)構(gòu)都被侵徹貫穿且沖擊剩余速度幾乎沒有差異，而DT-Bou-G結(jié)構(gòu)可以有效反彈子彈(圖2I)。這說明結(jié)構(gòu)設(shè)計在面對高速沖擊時無法及時響應(yīng)，而梯度組分設(shè)計可以提供有效的防護。這是由于梯度組分設(shè)計帶來了更大的塑形耗散(圖2J)和應(yīng)力支撐(圖2K)。
 

　　圖2.仿生DT-Bou-G結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能及強韌化機理。(A)DT-Bou-G結(jié)構(gòu)材料在全速度下均具有更優(yōu)的抗沖擊性能；(B-C)在擺錘(B)和落錘(C)沖擊測試中，DT-Bou-G表現(xiàn)出更高的吸收能量；(D)雙重布利岡結(jié)構(gòu)通過橫向纖維阻攔實現(xiàn)增韌；(E-F)在子彈沖擊測試中，DT-Bou-G表現(xiàn)出更好的防護性能；(G)在落錘沖擊測試中，梯度組分變化有效避免了開層；(H)有限元模擬顯示DT-Bou-G在面對落錘沖擊時實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)力分布。(I-K)在高速子彈沖擊時，DT-Bou-G可以彈回子彈(I)，這是由于其具有更大的塑形耗散(J)和更廣泛的應(yīng)力分布(K)。
 

　　整體上，雙重布利岡結(jié)構(gòu)通過裂紋偏轉(zhuǎn)和纖維阻隔展現(xiàn)了較其他結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的裂紋擴展路徑，而梯度組分設(shè)計通過擴大應(yīng)力分布范圍和更大的塑形耗散提升了能量吸收。這項工作展現(xiàn)了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計與組分優(yōu)化在抗沖擊材料中的協(xié)同作用，實現(xiàn)了全速度下材料防護性能的同步提升，為未來開發(fā)在復(fù)雜環(huán)境下服役的防護結(jié)構(gòu)材料提供了全新的設(shè)計思路。
 

　　該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)基金重點項目、新基石研究員項目、安徽省重大基礎(chǔ)研究項目、安徽省杰出青年科學(xué)基金等資助。