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自然貝殼中的珍珠層具有高度規(guī)則的“磚塊-灰泥”微結(jié)構(gòu)，是天然的抗沖擊盔甲，被視為新型抗沖擊防護(hù)材料研發(fā)中的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模板之一。前人的研究工作表明仿貝殼結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)或低速?zèng)_擊加載下，可通過規(guī)?；摹按u塊滑動(dòng)”機(jī)制耗散大量的沖擊能量。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授、何陵輝教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)仿貝殼結(jié)構(gòu)在較高沖擊速度下會(huì)喪失此類優(yōu)異的抗沖擊耗能機(jī)制，其性能弱于普通層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)；基于此現(xiàn)象，進(jìn)一步突破以往隨機(jī)混合的耐沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提出一種利用不同結(jié)構(gòu)來匹配沖擊速率變化的混合結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)策略，為抗沖擊性能優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)提供了新的思路。成果以 “Anomalous inapplicability of nacre-like architectures as impact-resistant templates in a wide range of impact velocities”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Nature Communications》。

珍珠層是自然材料中最具有代表性的結(jié)構(gòu)仿生模型之一，通過“磚塊-灰泥”結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)在變形機(jī)制可以將能量耗散提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)。現(xiàn)有研究已充分展現(xiàn)出仿貝殼結(jié)構(gòu)在部分低沖擊速度下，作為防護(hù)材料抗沖擊設(shè)計(jì)模板的優(yōu)越性。但在自然環(huán)境下，貝殼會(huì)經(jīng)常被捕食者以一定的沖擊速度擊碎，不清楚仿貝殼結(jié)構(gòu)在更大范圍的速度加載下是否仍然具有顯著的抗沖擊性能。

圖1 加載速度的影響：(a)自然現(xiàn)象 (b)前人研究工作

研究團(tuán)隊(duì)制備了激光雕刻結(jié)合層壓組裝的仿貝殼玻璃結(jié)構(gòu)，以及三維數(shù)字模型結(jié)合3D打印的仿貝殼軟硬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，通過力學(xué)測(cè)試-損傷表征的實(shí)驗(yàn)研究并結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析，詳細(xì)探究了仿貝殼結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度下的力學(xué)性能和損傷機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在一定低速?zèng)_擊范圍內(nèi)，仿貝殼結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出卓越抗沖擊耗能，而當(dāng)沖擊速度超過臨界值時(shí)，仿貝殼結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能相比于普通層狀結(jié)構(gòu)將不再具有優(yōu)勢(shì)。在低沖擊速度下，仿貝殼結(jié)構(gòu)中的磚塊滑動(dòng)機(jī)制會(huì)更早被激活，產(chǎn)生大范圍非彈性變形，并于臨界速度下達(dá)到耗能飽和狀態(tài)；而層狀結(jié)構(gòu)通過層間大面積脫層和層內(nèi)裂紋擴(kuò)展，會(huì)在更高的沖擊速度區(qū)間內(nèi)耗散更多的能量。

圖2 沖擊速度對(duì)仿貝殼結(jié)構(gòu)抗沖擊性能影響：(a)層狀結(jié)構(gòu)與仿貝殼結(jié)構(gòu)耗能比值 (b)貝殼結(jié)構(gòu)磚塊滑動(dòng)機(jī)制表征

數(shù)值模擬和標(biāo)度律分析進(jìn)一步揭示了當(dāng)達(dá)到臨界沖擊速度后，仿貝殼結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的優(yōu)勢(shì)總會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理。臨界沖擊速度的大小與仿貝殼結(jié)構(gòu)的磚塊縱橫比等尺寸參數(shù)和沖擊邊界條件相關(guān)，這間接解釋了自然界中具有納米級(jí)“磚塊-灰泥”結(jié)構(gòu)的貝殼可能會(huì)被捕食者以14.7-23.5 m/s速度擊碎的現(xiàn)象。

圖3 沖擊速度影響抗沖擊性能的機(jī)制分析：(a)結(jié)構(gòu)耗能隨沖擊速度變化的標(biāo)度律 (b)仿貝殼結(jié)構(gòu)磚塊縱橫比影響

利用這種現(xiàn)象，研究人員根據(jù)沖擊速度在材料內(nèi)部沿加載方向衰減的特性，提出了一種將各種結(jié)構(gòu)按抗沖擊性能的優(yōu)勢(shì)速度范圍逐層放置的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。優(yōu)化的混合結(jié)構(gòu)可以成功結(jié)合仿貝殼結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)在不同沖擊速度下的耗能優(yōu)勢(shì)，在更大的沖擊速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的抗沖擊性能。這一混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略易于實(shí)現(xiàn)、效果顯著，未來可通過結(jié)合其他結(jié)構(gòu)在沖擊速度上的不同優(yōu)勢(shì)進(jìn)行多層組合，提高防護(hù)結(jié)構(gòu)材料在更大沖擊速度范圍內(nèi)的綜合抗沖擊性能。

圖4 混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略：(a)混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖 (b)不同沖擊速度下耗能情況

論文第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系博士研究生張瀟、博士后吳開金。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃和中科大青年創(chuàng)新重點(diǎn)基金等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35439-3

（工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系、科研部）