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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 文章來源:科技日報(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“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),通過力學(xué)測試—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。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。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,未來可通過結(jié)合其他結(jié)構(gòu)在沖擊速度上的不同優(yōu)勢進(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。

關(guān)鍵詞: 抗沖擊性

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