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从贝壳中获得启示 科学家提出抗冲击性结构新策略
2022年12月22日 15:42:55
来源：化工仪器网 作者：小王 点击量：6564
抗冲击性指的是样品抵抗冲击负荷的能力，是现代材料学中一个重要的指标，在许多产品的质量检测或者性能评估中有所涉及，例如车辆的保险杠。而影响材料抗冲击性的主要因素有两个，一个是材料本身的成分，另一个是材料的结构设计。事实上，目前我们使用的许多抗冲击性材料都是通过模仿自然界中生物结构来提升抗冲击性的。
【化工仪器网 行业百态】抗冲击性指的是样品抵抗冲击负荷的能力，是现代材料学中一个重要的指标，在许多产品的质量检测或者性能评估中有所涉及，例如车辆的保险杠。而影响材料抗冲击性的主要因素有两个，一个是材料本身的成分，另一个是材料的结构设计。事实上，目前我们使用的许多抗冲击性材料都是通过模仿自然界中生物结构来提升抗冲击性的。
而提到自然界中具备优秀的抗冲击性的结构，贝壳珍珠层很难被忽视。贝壳珍珠层的结构非常特殊，是一种由多层微观矿物薄片经蛋白质黏合后堆叠而成的类砖墙结构，在受到冲击时，看似脆弱的碳酸钙薄片会因为压力发生滑动，从而吸收冲击力，减少冲击带来的伤害。
事实上人类也从这种结构中得到了启发，研制出仿贝壳结构。这种结构简单的说就是通过模拟贝壳珍珠“砖块—灰泥”结构的内在变形机制，提升材料应对冲击的能力。例如类珍珠层玻璃板便是以“玻璃板—薄层树脂”为主要原材料，根据仿贝壳结构生产的抗冲击性玻璃。不过这种玻璃有个缺点——硬度不佳，在应对高速冲击的物体时，强度远不及传统玻璃。这也是为什么目前常见的类珍珠层玻璃会在玻璃外侧加装普通玻璃板来提升强度。
其实，这一问题在仿贝壳结构中普遍存在。尽管仿贝壳结构会表现出卓越抗冲击耗能，但当冲击速度超过临界值时，仿贝壳结构中的砖块滑动机制将无法被激活，受到的冲击也就没有办法被分散吸收，此时的抗冲击性相比于普通层状结构自然也不再具有优势。这就好像自然界中贝壳尽管很坚固，但是在应对捕食者的高速冲击时(一般在秒速14.7-23.5米)，也会被击碎。
而就在近日，中国科学技术大学研究团队针对仿贝壳结构进行了进一步的研究。团队制备了激光雕刻结合层压组装的仿贝壳玻璃结构，以及三维数字模型结合3D打印的仿贝壳软硬复合材料结构，通过力学测试—损伤表征的实验研究并结合数值模拟和理论分析，详细探究了仿贝壳结构在不同冲击速度下的力学性能和损伤机制。并由此做出衍生，提出了一种新的抗冲击性仿贝壳结构策略——通过将抗冲击性能的优势速度范围不同的各类结构以逐层放置的方式组成混合结构，通过其他结构来弥补抗冲击速度上的劣势，从而进一步提高防护结构材料在不同冲击速度下的综合抗冲击性能。
而更重要的一点是，这种策略并不难实现，但是效果却非常明显，并且可以根据实际使用需要进行调整，具备很高的灵活性。或许在不远的未来，这类材料就会进入到我们的生活。
(参考资料来源：科技日报)
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