科学家提出设计抗冲击性仿贝壳结构新策略

科学家提出了一种设计抗冲击壳状结构的新策略。

记者21日从中国科学技术大学获悉，倪勇教授，何教授研究团队发现，壳状结构在高冲击速度下会失去其优异的抗冲击性能和耗能机制，性能弱于普通的层状复合结构，基于这一现象，他们提出了利用不同结构匹配撞击率变化的混合结构抗撞击设计策略，为抗撞击性能优化的微结构仿生设计提供了新思路相关成果日前发表在国际期刊《自然·通讯》上

壳层是自然材料中最具代表性的结构仿生模型之一，通过砖—砂浆结构相关的内部变形机制，可以将能量耗散提高几个数量级但在自然环境中，炮弹往往会被捕食者以一定的撞击速度击碎尚不清楚壳状结构在更宽范围的速度载荷下是否仍具有显著的抗冲击性

研究团队制备了激光雕刻和层压组装相结合的壳状玻璃结构，以及3D数字模型和3D打印相结合的壳状软硬复合结构通过力学测试—损伤表征的实验研究，结合数值模拟和理论分析，详细探讨了不同冲击速度下壳状结构的力学性能和损伤机理研究发现，在一定的低速冲击范围内，壳状结构会表现出优异的抗冲击性能和能量消耗，但当冲击速度超过临界值时，壳状结构的抗冲击性能将不再优于普通层合结构在低冲击速度下，壳状结构中砖的滑动机制会被较早激活，产生大范围的非弹性变形，在临界速度下达到耗能饱和可是，在较高的冲击速度范围内，层状结构将通过层间的大的分层和层内的裂纹扩展来消耗更多的能量这间接解释了自然界中具有纳米级砖臼结构的炮弹可能以14.7m/s—23.5m/s的速度被捕食者击碎的现象

利用这一现象，研究人员提出了一种混合结构设计策略，根据抗冲击的优势速度范围逐层放置各种结构这种混合结构设计策略易于实现，效果明显未来可以结合其他结构在冲击速度上的不同优势，提高防护结构材料在更大冲击速度范围内的综合抗冲击性能