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仪表网 研发快讯】防护用工程结构材料通常面临复杂的服役环境。现有的工程防护材料多采用层压板结构、晶胞结构以及三明治结构等设计方案。相关材料虽然具有优异的抗冲击性能，但仍受限于层间开层、质量过重以及强韧互斥等问题隐患，逐渐难以满足日益复杂的服役环境需求。
自然界中的生物装甲为研制抗冲击材料提供了丰富的灵感来源。其中，鳞片作为鱼类的最外部“防护装备”，起着保护底层软组织的关键作用，引起了研究人员广泛关注。在结构上，鱼鳞中的胶原纳米纤维通常单向聚集成薄层进而螺旋堆叠组装为有序布利冈(Bouligand)结构并通过纤维基元滑移、形变、扭转和再定向等实现增韧。除了这种单一布利冈结构，近年研究人员还在“古化石”腔棘鱼中发现了独特的双重布利冈结构，它由两套单一布利冈结构互相嵌套构成。研究人员通过准静态力学测试，发现该结构相比于传统单一布利冈结构(如巨骨舌鱼鳞片的结构)具有更为优异的力学性能。然而，目前关于双重布利冈结构的动态力学性能研究以及更广泛的布利冈大类结构在宽谱加载速度下的防护性能研究依然缺乏。深入挖掘生物布利冈结构智慧，设计制备可以在复杂环境下使用的防护工程结构材料具有重要的科学意义与实用价值。
近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队基于前期在仿生布利冈结构材料研究基础上，协同考虑纤维结构设计与组分调控，提出了一种独特的梯度双重布利冈(DT-Bou-G)结构设计思路，探索通过协同强韧化机制实现宽谱加载速度下高性能防护结构材料的可行性(图1)。研究团队以软质热塑性聚氨酯(TPU)和硬质聚乳酸(PLA)为基本模型原料，通过双料熔融喷头3D打印技术，实现目标材料组分由硬PLA向软TPU逐渐转变(梯度变化)并最终构筑出新型仿生DT-Bou-G复合材料。该复合材料较正交结构(UL)、单一布利冈结构(BOU)、双重布利冈结构(DT-Bou)以及双重布利冈交替结构(DT-Bou-A)材料而言，在准静态力学测试(单边开口梁)、低速冲击测试(摆锤冲击和落锤冲击)和高速冲击测试(子弹冲击)中都展现出更强的防护性能。相关研究成果以“Gradient double-twisted Bouligand structural design for high impact resistance over a wide range of loading velocities”为题发表在国际期刊《科学进展》上，论文的第一作者是校化学系博士后文韶萌和近代力学系博士生高伟韬，通讯作者为合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员陈思铭、近代力学系教授郑志军和俞书宏院士。
图1.全速度抗冲击结构材料仿生设计策略及防护机理示意。
研究表明，DT-Bou-G结构材料在多种冲击速度下都表现出更高的能量吸收(图2A-C)。在低速摆锤冲击及落锤冲击测试中，DT-Bou-G结构可以通过独特的横向纤维阻拦机制实现增强增韧(图2D)。而在高速子弹冲击测试中，纤维结构设计难以发挥抵抗载荷的作用。此时，纤维的梯度组分变化变得更为重要，它能够有效降低冲击力并吸收能量，为DT-Bou-G结构材料带来了优异的防护效果(图2E-F)。同时，相较交替结构设计(DT-Bou-A)，这种具有梯度组分特征的DT-Bou-G结构可以有效避免防护材料中常见的脱层现象(图2G)。研究团队进一步进行了有限元模拟研究，发现在低速落锤冲击时，具有梯度组分特征的DT-Bou-G结构可以通过更大的应力分布范围耗散更多的能量(图2H)；而在高速子弹冲击中，UL、S-Bou和DT-Bou结构都被侵彻贯穿且冲击剩余速度几乎没有差异，而DT-Bou-G结构可以有效反弹子弹(图2I)。这说明结构设计在面对高速冲击时无法及时响应，而梯度组分设计可以提供有效的防护。这是由于梯度组分设计带来了更大的塑形耗散(图2J)和应力支撑(图2K)。
图2.仿生DT-Bou-G结构材料的力学性能及强韧化机理。(A)DT-Bou-G结构材料在全速度下均具有更优的抗冲击性能；(B-C)在摆锤(B)和落锤(C)冲击测试中，DT-Bou-G表现出更高的吸收能量；(D)双重布利冈结构通过横向纤维阻拦实现增韧；(E-F)在子弹冲击测试中，DT-Bou-G表现出更好的防护性能；(G)在落锤冲击测试中，梯度组分变化有效避免了开层；(H)有限元模拟显示DT-Bou-G在面对落锤冲击时实现更广泛的应力分布。(I-K)在高速子弹冲击时，DT-Bou-G可以弹回子弹(I)，这是由于其具有更大的塑形耗散(J)和更广泛的应力分布(K)。
整体上，双重布利冈结构通过裂纹偏转和纤维阻隔展现了较其他结构更为复杂的裂纹扩展路径，而梯度组分设计通过扩大应力分布范围和更大的塑形耗散提升了能量吸收。这项工作展现了仿生结构设计与组分优化在抗冲击材料中的协同作用，实现了全速度下材料防护性能的同步提升，为未来开发在复杂环境下服役的防护结构材料提供了全新的设计思路。
该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金重点项目、新基石研究员项目、安徽省重大基础研究项目、安徽省杰出青年科学基金等资助。
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