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從貝殼中獲得啟示 科學家提出抗沖擊性結構新策略
2022年12月22日 15:42:55
來源：化工儀器網 作者：小王 點擊量：6563
抗沖擊性指的是樣品抵抗沖擊負荷的能力，是現代材料學中一個重要的指標，在許多產品的質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，另一個是材料的結構設計。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構來提升抗沖擊性的。
【化工儀器網 行業百態】抗沖擊性指的是樣品抵抗沖擊負荷的能力，是現代材料學中一個重要的指標，在許多產品的質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，另一個是材料的結構設計。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構來提升抗沖擊性的。
而提到自然界中具備優秀的抗沖擊性的結構，貝殼珍珠層很難被忽視。貝殼珍珠層的結構非常特殊，是一種由多層微觀礦物薄片經蛋白質黏合后堆疊而成的類磚墻結構，在受到沖擊時，看似脆弱的碳酸鈣薄片會因為壓力發生滑動，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構中得到了啟發，研制出仿貝殼結構。這種結構簡單的說就是通過模擬貝殼珍珠“磚塊—灰泥”結構的內在變形機制，提升材料應對沖擊的能力。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，根據仿貝殼結構生產的抗沖擊性玻璃。不過這種玻璃有個缺點——硬度不佳，在應對高速沖擊的物體時，強度遠不及傳統玻璃。這也是為什么目前常見的類珍珠層玻璃會在玻璃外側加裝普通玻璃板來提升強度。
其實，這一問題在仿貝殼結構中普遍存在。盡管仿貝殼結構會表現出卓越抗沖擊耗能，但當沖擊速度超過臨界值時，仿貝殼結構中的磚塊滑動機制將無法被激活，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構自然也不再具有優勢。這就好像自然界中貝殼盡管很堅固，但是在應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，中國科學技術大學研究團隊針對仿貝殼結構進行了進一步的研究。團隊制備了激光雕刻結合層壓組裝的仿貝殼玻璃結構，以及三維數字模型結合3D打印的仿貝殼軟硬復合材料結構，通過力學測試—損傷表征的實驗研究并結合數值模擬和理論分析，詳細探究了仿貝殼結構在不同沖擊速度下的力學性能和損傷機制。并由此做出衍生，提出了一種新的抗沖擊性仿貝殼結構策略——通過將抗沖擊性能的優勢速度范圍不同的各類結構以逐層放置的方式組成混合結構，通過其他結構來彌補抗沖擊速度上的劣勢，從而進一步提高防護結構材料在不同沖擊速度下的綜合抗沖擊性能。
而更重要的一點是，這種策略并不難實現，但是效果卻非常明顯，并且可以根據實際使用需要進行調整，具備很高的靈活性。或許在不遠的未來，這類材料就會進入到我們的生活。
(參考資料來源：科技日報)
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