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從貝殼中獲得啟示 科學(xué)家提出抗沖擊性結(jié)構(gòu)新策略
2022年12月22日 15:42:55
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：小王 點(diǎn)擊量：6557
抗沖擊性指的是樣品抵抗沖擊負(fù)荷的能力，是現(xiàn)代材料學(xué)中一個重要的指標(biāo)，在許多產(chǎn)品的質(zhì)量檢測或者性能評估中有所涉及，例如車輛的保險杠。而影響材料抗沖擊性的主要因素有兩個，一個是材料本身的成分，另一個是材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計。事實上，目前我們使用的許多抗沖擊性材料都是通過模仿自然界中生物結(jié)構(gòu)來提升抗沖擊性的。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】抗沖擊性指的是樣品抵抗沖擊負(fù)荷的能力，是現(xiàn)代材料學(xué)中一個重要的指標(biāo)，在許多產(chǎn)品的質(zhì)量檢測或者性能評估中有所涉及，例如車輛的保險杠。而影響材料抗沖擊性的主要因素有兩個，一個是材料本身的成分，另一個是材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計。事實上，目前我們使用的許多抗沖擊性材料都是通過模仿自然界中生物結(jié)構(gòu)來提升抗沖擊性的。
而提到自然界中具備優(yōu)秀的抗沖擊性的結(jié)構(gòu)，貝殼珍珠層很難被忽視。貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)非常特殊，是一種由多層微觀礦物薄片經(jīng)蛋白質(zhì)黏合后堆疊而成的類磚墻結(jié)構(gòu)，在受到?jīng)_擊時，看似脆弱的碳酸鈣薄片會因為壓力發(fā)生滑動，從而吸收沖擊力，減少沖擊帶來的傷害。
事實上人類也從這種結(jié)構(gòu)中得到了啟發(fā)，研制出仿貝殼結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)簡單的說就是通過模擬貝殼珍珠“磚塊—灰泥”結(jié)構(gòu)的內(nèi)在變形機(jī)制，提升材料應(yīng)對沖擊的能力。例如類珍珠層玻璃板便是以“玻璃板—薄層樹脂”為主要原材料，根據(jù)仿貝殼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的抗沖擊性玻璃。不過這種玻璃有個缺點(diǎn)——硬度不佳，在應(yīng)對高速沖擊的物體時，強(qiáng)度遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)玻璃。這也是為什么目前常見的類珍珠層玻璃會在玻璃外側(cè)加裝普通玻璃板來提升強(qiáng)度。
其實，這一問題在仿貝殼結(jié)構(gòu)中普遍存在。盡管仿貝殼結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出卓越抗沖擊耗能，但當(dāng)沖擊速度超過臨界值時，仿貝殼結(jié)構(gòu)中的磚塊滑動機(jī)制將無法被激活，受到的沖擊也就沒有辦法被分散吸收，此時的抗沖擊性相比于普通層狀結(jié)構(gòu)自然也不再具有優(yōu)勢。這就好像自然界中貝殼盡管很堅固，但是在應(yīng)對捕食者的高速沖擊時(一般在秒速14.7-23.5米)，也會被擊碎。
而就在近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊針對仿貝殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。團(tuán)隊制備了激光雕刻結(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—損傷表征的實驗研究并結(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。并由此做出衍生，提出了一種新的抗沖擊性仿貝殼結(jié)構(gòu)策略——通過將抗沖擊性能的優(yōu)勢速度范圍不同的各類結(jié)構(gòu)以逐層放置的方式組成混合結(jié)構(gòu)，通過其他結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)抗沖擊速度上的劣勢，從而進(jìn)一步提高防護(hù)結(jié)構(gòu)材料在不同沖擊速度下的綜合抗沖擊性能。
而更重要的一點(diǎn)是，這種策略并不難實現(xiàn)，但是效果卻非常明顯，并且可以根據(jù)實際使用需要進(jìn)行調(diào)整，具備很高的靈活性。或許在不遠(yuǎn)的未來，這類材料就會進(jìn)入到我們的生活。
(參考資料來源：科技日報)
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