中國科學技術大學提出全速度沖擊防護仿生材料設計新策略

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇）記者近日從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士團隊提出了一種獨特的梯度雙重布里岡結構設計思路，并成功制備出一種新型工程防護材料，實現(xiàn)了全速度下材料防護性能的同步提升，為未來開發(fā)在復雜環(huán)境下服役的防護結構材料提供了全新的設計思路。相關成果發(fā)表于《科學進展》。

防護用工程結構材料通常面臨復雜的服役環(huán)境。現(xiàn)有的工程防護材料受限于層間開層、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(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源。其中，鱗片作為魚類的最外部“防護裝備”，引起了廣泛關注。研究人員在魚鱗中發(fā)現(xiàn)一種獨特的布利岡結構，該結構可以通過誘導裂紋擴展等方式實現(xiàn)增韌。

此外，近年研究人員還在“古化石”腔棘魚中發(fā)現(xiàn)了獨特的雙重布利岡結構，表現(xiàn)出具有更為優(yōu)異的力學性能。然而，目前關于雙重布利岡結構的動態(tài)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。

俞書宏團隊通過協(xié)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。研究團隊以軟質熱塑性聚氨酯和硬質聚乳酸為基本模型原料，通過雙料熔融噴頭3D打印技術，實現(xiàn)目標材料組分由硬質聚乳酸向軟質熱塑性聚氨酯梯度轉變，并最終制備出新型仿生梯度雙重布利岡復合材料。該復合材料在準靜態(tài)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(xiàn)出更強的防護性能。

研究人員介紹，這項工作展現(xiàn)了仿生結構設計與組分優(yōu)化在抗沖擊材料中的協(xié)同作用，實現(xiàn)了全速度下材料防護性能的同步提升，為未來開發(fā)在復雜環(huán)境下服役的防護結構材料提供了全新的設計思路。