【儀表網 研發快訊】防護用工程結構材料通常面臨復雜的服役環境。現有的工程防護材料多采用層壓板結構、晶胞結構以及三明治結構等設計方案。相關材料雖然具有優異的抗沖擊性能，但仍受限于層間開層、質量過重以及強韌互斥等問題隱患，逐漸難以滿足日益復雜的服役環境需求。
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鍵作用，引起了研究人員廣泛關注。在結構上，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)結構并通過纖維基元滑移、形變、扭轉和再定向等實現增韌。除了這種單一布利岡結構，近年研究人員還在“古化石”腔棘魚中發現了獨特的雙重布利岡結構，它由兩套單一布利岡結構互相嵌套構成。研究人員通過準靜態力學測試，發現該結構相比于傳統單一布利岡結構(如巨骨舌魚鱗片的結構)具有更為優異的力學性能。然而，目前關于雙重布利岡結構的動態力學性能研究以及更廣泛的布利岡大類結構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構智慧，設計制備可以在復雜環境下使用的防護工程結構材料具有重要的科學意義與實用價值。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊基于前期在仿生布利岡結構材料研究基礎上，協同考慮纖維結構設計與組分調控，提出了一種獨特的梯度雙重布利岡(DT-Bou-G)結構設計思路，探索通過協同強韌化機制實現寬譜加載速度下高性能防護結構材料的可行性(圖1)。研究團隊以軟質熱塑性聚氨酯(TPU)和硬質聚乳酸(PLA)為基本模型原料，通過雙料熔融噴頭3D打印技術，實現目標材料組分由硬PLA向軟TPU逐漸轉變(梯度變化)并最終構筑出新型仿生DT-Bou-G復合材料。該復合材料較正交結構(UL)、單一布利岡結構(BOU)、雙重布利岡結構(DT-Bou)以及雙重布利岡交替結構(DT-Bou-A)材料而言，在準靜態力學測試(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)中都展現出更強的防護性能。相關研究成果以“Gradient double-twisted Bouligand structural design for high impact resistance over a wide range of loading velocities”為題發表在國際期刊《科學進展》上，論文的第一作者是校化學系博士后文韶萌和近代力學系博士生高偉韜，通訊作者為合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員陳思銘、近代力學系教授鄭志軍和俞書宏院士。
圖1.全速度抗沖擊結構材料仿生設計策略及防護機理示意。
研究表明，DT-Bou-G結構材料在多種沖擊速度下都表現出更高的能量吸收(圖2A-C)。在低速擺錘沖擊及落錘沖擊測試中，DT-Bou-G結構可以通過獨特的橫向纖維阻攔機制實現增強增韌(圖2D)。而在高速子彈沖擊測試中，纖維結構設計難以發揮抵抗載荷的作用。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結構材料帶來了優異的防護效果(圖2E-F)。同時，相較交替結構設計(DT-Bou-A)，這種具有梯度組分特征的DT-Bou-G結構可以有效避免防護材料中常見的脫層現象(圖2G)。研究團隊進一步進行了有限元模擬研究，發現在低速落錘沖擊時，具有梯度組分特征的DT-Bou-G結構可以通過更大的應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結構都被侵徹貫穿且沖擊剩余速度幾乎沒有差異，而DT-Bou-G結構可以有效反彈子彈(圖2I)。這說明結構設計在面對高速沖擊時無法及時響應，而梯度組分設計可以提供有效的防護。這是由于梯度組分設計帶來了更大的塑形耗散(圖2J)和應力支撐(圖2K)。
圖2.仿生DT-Bou-G結構材料的力學性能及強韌化機理。(A)DT-Bou-G結構材料在全速度下均具有更優的抗沖擊性能；(B-C)在擺錘(B)和落錘(C)沖擊測試中，DT-Bou-G表現出更高的吸收能量；(D)雙重布利岡結構通過橫向纖維阻攔實現增韌；(E-F)在子彈沖擊測試中，DT-Bou-G表現出更好的防護性能；(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更廣泛的應力分布。(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)和更廣泛的應力分布(K)。
整體上，雙重布利岡結構通過裂紋偏轉和纖維阻隔展現了較其他結構更為復雜的裂紋擴展路徑，而梯度組分設計通過擴大應力分布范圍和更大的塑形耗散提升了能量吸收。這項工作展現了仿生結構設計與組分優化在抗沖擊材料中的協同作用，實現了全速度下材料防護性能的同步提升，為未來開發在復雜環境下服役的防護結構材料提供了全新的設計思路。
該研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金重點項目、新基石研究員項目、安徽省重大基礎研究項目、安徽省杰出青年科學基金等資助。
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