中科大倪勇教授、何陵輝教授研究團隊：3D打印仿貝殼結構抗沖擊性能弱化現象

來源：中國科學技術大學官網


自然貝殼中的珍珠層具有高度規(guī)則的“磚塊-灰泥”微結構，是天然的抗沖擊盔甲，被視為新型抗沖擊防護材料研發(fā)中的微結構設計模板之一。前人的研究工作表明仿貝殼結構在準靜態(tài)或低速沖擊加載下，可通過規(guī)模化的“磚塊滑動”機制耗散大量的沖擊能量。

文章簡介
近日，中國科學技術大學倪勇教授、何陵輝教授研究團隊發(fā)現仿貝殼結構在較高沖擊速度下會喪失此類優(yōu)異的抗沖擊耗能機制，其性能弱于普通層狀復合結構；基于此現象，進一步突破以往隨機混合的耐沖擊結構設計方案，提出一種利用不同結構來匹配沖擊速率變化的混合結構抗沖擊設計策略，為抗沖擊性能優(yōu)化的微結構仿生設計提供了新的思路。相關成果發(fā)表在Nature Communications上。論文第一作者為中國科學技術大學近代力學系博士研究生張瀟、博士后吳開金。

圖1. 珍珠層結構的速度依賴抗沖擊性能。

研究內容
珍珠層是自然材料中最具有代表性的結構仿生模型之一，通過“磚塊-灰泥”結構相關的內在變形機制可以將能量耗散提升幾個數量級�，F有研究已充分展現出仿貝殼結構在部分低沖擊速度下，作為防護材料抗沖擊設計模板的優(yōu)越性。但在自然環(huán)境下，貝殼會經常被捕食者以一定的沖擊速度擊碎，不清楚仿貝殼結構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。

研究團隊制備了激光雕刻結合層壓組裝的仿貝殼玻璃結構，以及三維數字模型結合3D打印的仿貝殼軟硬復合材料結構，通過力學測試-損傷表征的實驗研究并結合數值模擬和理論分析，詳細探究了仿貝殼結構在不同沖擊速度下的力學性能和損傷機制。研究發(fā)現，在一定低速沖擊范圍內，仿貝殼結構會表現出卓越抗沖擊耗能，而當沖擊速度超過臨界值時，仿貝殼結構的抗沖擊性能相比于普通層狀結構將不再具有優(yōu)勢。在低沖擊速度下，仿貝殼結構中的磚塊滑動機制會更早被激活，產生大范圍非彈性變形，并于臨界速度下達到耗能飽和狀態(tài)；而層狀結構通過層間大面積脫層和層內裂紋擴展，會在更高的沖擊速度區(qū)間內耗散更多的能量。

圖2. 沖擊速度對仿貝殼結構抗沖擊性能影響：(a)層狀結構與仿貝殼結構耗能比值 (b)貝殼結構磚塊滑動機制表征。

數值模擬和標度律分析進一步揭示了當達到臨界沖擊速度后，仿貝殼結構和層狀結構抗沖擊性能的優(yōu)勢總會出現反轉這一現象的內在機理。臨界沖擊速度的大小與仿貝殼結構的磚塊縱橫比等尺寸參數和沖擊邊界條件相關，這間接解釋了自然界中具有納米級“磚塊-灰泥”結構的貝殼可能會被捕食者以14.7-23.5 m/s速度擊碎的現象。

圖3. 沖擊速度影響抗沖擊性能的機制分析：(a)結構耗能隨沖擊速度變化的標度律 (b)仿貝殼結構磚塊縱橫比影響。

利用這種現象，研究人員根據沖擊速度在材料內部沿加載方向衰減的特性，提出了一種將各種結構按抗沖擊性能的優(yōu)勢速度范圍逐層放置的混合結構設計策略。優(yōu)化的混合結構可以成功結合仿貝殼結構和層狀結構在不同沖擊速度下的耗能優(yōu)勢，在更大的沖擊速度范圍內實現最優(yōu)的抗沖擊性能。這一混合結構設計策略易于實現、效果顯著，未來可通過結合其他結構在沖擊速度上的不同優(yōu)勢進行多層組合，提高防護結構材料在更大沖擊速度范圍內的綜合抗沖擊性能。

圖4. 混合結構設計策略：(a)混合結構設計示意圖 (b)不同沖擊速度下耗能情況。