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全球快播：科學(xué)家提出設(shè)計(jì)抗沖擊性仿貝殼結(jié)構(gòu)新策略
發(fā)布時(shí)間：2022-12-22 09:31:32
文章來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
科學(xué)家提出設(shè)計(jì)抗沖擊性仿貝殼結(jié)構(gòu)新策略
(資料圖)
記者12月21日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，該校倪勇教授、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，他們提出一種利用不同結(jié)構(gòu)來(lái)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。相關(guān)成果日前發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·通訊》。
貝殼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(guò)“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)。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。
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(guò)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(guò)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(guò)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。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米/秒—23.5米/秒的速度擊碎的現(xiàn)象。
利用這種現(xiàn)象，研究人員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。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(lái)可通過(guò)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。
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抗沖擊性
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