防護(hù)用工程結(jié)構(gòu)材料通常面臨復(fù)雜的服役環(huán)境。現(xiàn)有的工程防護(hù)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(jì)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(guò)重以及強(qiáng)韌互斥等問(wèn)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(lái)源。其中，鱗片作為魚類的最外部“防護(hù)裝備”，起著保護(hù)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(jìn)而螺旋堆疊組裝為有序布利岡(Bouligand)結(jié)構(gòu)并通過(guò)纖維基元滑移、形變、扭轉(zhuǎn)和再定向等實(shí)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(dú)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(guò)準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)測(cè)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(dòng)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(hù)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(jì)制備可以在復(fù)雜環(huán)境下使用的防護(hù)工程結(jié)構(gòu)材料具有重要的科學(xué)意義與實(shí)用價(jià)值。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)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(jì)與組分調(diào)控，提出了一種獨(dú)特的梯度雙重布利岡(DT-Bou-G)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，探索通過(guò)協(xié)同強(qiáng)韌化機(jī)制實(shí)現(xiàn)寬譜加載速度下高性能防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的可行性(圖1)。研究團(tuán)隊(duì)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(guò)雙料熔融噴頭3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)測(cè)試(單邊開口梁)、低速?zèng)_擊測(cè)試(擺錘沖擊和落錘沖擊)和高速?zèng)_擊測(cè)試(子彈沖擊)中都展現(xiàn)出更強(qiáng)的防護(hù)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(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)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(guó)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(jì)策略及防護(hù)機(jī)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(cè)試中，DT-Bou-G結(jié)構(gòu)可以通過(guò)獨(dú)特的橫向纖維阻攔機(jī)制實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)增韌(圖2D)。而在高速子彈沖擊測(cè)試中，纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以發(fā)揮抵抗載荷的作用。此時(shí)，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(lái)了優(yōu)異的防護(hù)效果(圖2E-F)。同時(shí)，相較交替結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(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(hù)材料中常見的脫層現(xiàn)象(圖2G)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步進(jìn)行了有限元模擬研究，發(fā)現(xiàn)在低速落錘沖擊時(shí)，具有梯度組分特征的DT-Bou-G結(jié)構(gòu)可以通過(guò)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(méi)有差異，而DT-Bou-G結(jié)構(gòu)可以有效反彈子彈(圖2I)。這說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在面對(duì)高速?zèng)_擊時(shí)無(wú)法及時(shí)響應(yīng)，而梯度組分設(shè)計(jì)可以提供有效的防護(hù)。這是由于梯度組分設(shè)計(jì)帶來(lái)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(qiáng)韌化機(jī)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(cè)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(guò)橫向纖維阻攔實(shí)現(xiàn)增韌；(E-F)在子彈沖擊測(cè)試中，DT-Bou-G表現(xiàn)出更好的防護(hù)性能；(G)在落錘沖擊測(cè)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(duì)落錘沖擊時(shí)實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)力分布。(I-K)在高速子彈沖擊時(shí)，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(guò)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(kuò)展路徑，而梯度組分設(shè)計(jì)通過(guò)擴(kuò)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(xiàng)工作展現(xiàn)了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組分優(yōu)化在抗沖擊材料中的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了全速度下材料防護(hù)性能的同步提升，為未來(lái)開發(fā)在復(fù)雜環(huán)境下服役的防護(hù)結(jié)構(gòu)材料提供了全新的設(shè)計(jì)思路。
 

　　該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、新基石研究員項(xiàng)目、安徽省重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、安徽省杰出青年科學(xué)基金等資助。