中科大俞書宏院士團隊Adv. Mater.：仿生高抗沖擊性能陶瓷-聚合物復合材料

一、【導讀】

優異的抗沖擊性能對結構材料尤其是鎧甲類護具的應用至關重要。傳統的結構材料，包括金屬、陶瓷、聚合物和纖維增強復合等近年來在結構與性能的提升上取得了很大的進展，但仍需要不斷地探索更有效的結構設計策略來獲得更優異的抗沖擊性能，從而滿足相關領域日益增長的應用需求。自然界為研制抗沖擊材料提供了豐富的靈感來源，例如，由螺旋排列的納米纖維薄片組成的Bouligand結構廣泛存在于魚鱗、骨骼和甲殼類動物的外骨骼中，其結構作用機制是在受到外部沖擊載荷時通過旋轉和重新定位有序的納米纖維來吸收能量。該結構通常被引入結構材料中作為主要的能量吸收結構，來提高材料在動態載荷情況下的抗沖擊性能。另一種具有代表性的抗沖擊生物結構是梯度結構，其被發現也廣泛存在于竹子、骨骼和甲殼類動物的外骨骼等多種生物材料中。這些生物材料在結構或組分上呈梯度變化的特點，堅硬的外層可以直接抵抗捕食者的猛烈攻擊，而堅韌的內層具有更強的變形能力，從而提高材料的能量吸收能力。在這些生物結構元素和其基本作用機制的啟發下，學者們嘗試制造了許多高性能的仿生物結構材料。然而，大多數研究都集中在單一的生物結構（如布利岡結構或梯度結構）模仿上，材料的性能提升有限。通過整合不同的生物結構元素來設計開發仿生材料有望實現更有效的性能提升，但是仍然極具挑戰性。

二、【成果掠影】

近日，中國科學技術大學化學系俞書宏院士、高懷嶺教授和力學系鄭志軍副教授團隊提出了一種獨特的仿生梯度Bouligand（GB）結構設計。在3D打印技術的輔助下，氧化鋁微米片首先在高嶺土打印纖維內同軸排列，然后通過調節每層的纖維間距將其排列成GB結構骨架，通過進一步燒結得到陶瓷骨架，并將聚合物熔融浸漬道骨架內，從而得到仿生GB結構陶瓷-聚合物復合材料。作者系統地評估了不同結構元素（微米片排列、聚合物引入、陶瓷纖維的Bouligand排列和組分的梯度分布）對所得陶瓷-聚合物復合材料的性能改善的預期結果。研究顯示，與無結構設計和單一結構設計的復合材料相比，GB結構的復合材料顯示出大幅改善的動態抗沖擊性能，通過結合有限元（FE）模擬進一步闡明了這種仿生GB結構在動態沖擊過程中的基本作用機制。相關研究結果以題為“Biomimetic Gradient Bouligand Structure Enhances Impact Resistance of Ceramic-Polymer Composites”發表在國際知名期刊Advanced Materials上。

三、【核心創新點】

本文提出了一種將梯度結構與Bouligand結構耦合的仿生結構設計策略，來同時提高陶瓷-聚合物復合材料在抵御沖擊過程的峰值力和總能量吸收，為未來開發輕質和抗沖擊的先進結構材料提供了新的設計思路。

四、【數據概覽】

圖1：仿生GB結構陶瓷-聚合物復合材料的制造。(a) 仿生GB復合材料的制備工藝示意圖。(b) 氧化鋁微米片在纖維打印過程中受剪切力誘導的排列示意圖。(c,d) GB陶瓷骨架呈現梯度和螺旋特征示意圖(c)，對應復合材料呈現扭曲裂紋擴展示意圖(d)。(e) SEM橫截面圖顯示燒結高嶺土纖維中氧化鋁微米片的近似同軸排列。黃色箭頭表示氧化鋁微米片的橫截面。(f) 按照上述步驟制作的一個典型的仿生學GB復合材料照片。滲透的聚合物為PC。(g) 通過纖維ct技術對仿生GB-PC復合材料進行三維重建；不同的顏色代表不同層的纖維。

圖2：仿生GB結構陶瓷-聚合物復合材料的力學性能。(a) 不同氧化鋁含量高嶺土-氧化鋁陶瓷的抗彎強度比較。(b) 純高嶺土、具有無序排列的氧化鋁納米片的高嶺土陶瓷和取向排列的高嶺土-氧化鋁(40 wt.%)陶瓷的典型彎曲應力-應變曲線。(c) 不同纖維間距增量的仿生GB高嶺土-氧化鋁(40 wt.%)-PC復合材料抗沖擊性能比較。(d) 不同浸漬聚合物的仿生GB復合材料抗沖擊性能比較。(e,f) 不同結構的高嶺土-氧化鋁(40 wt.%)陶瓷和高嶺土-氧化鋁(40 wt.%)-PC復合材料落錘沖擊試驗典型力-位移曲線(e)和抗沖擊性能比較(f)。(g) GB結構仿生高嶺土-PC復合材料和高嶺土-氧化鋁(40 wt.%)-PC復合材料落錘沖擊試驗的典型力-位移曲線。(h)不同正面的GB高嶺土-氧化鋁(40 wt.%)-PC復合材料落錘沖擊試驗典型力-位移曲線。(i)高嶺土-氧化鋁(40 wt.%)復合材料與不同結構和聚合物的抗沖擊性比較。

圖3：仿生GB結構陶瓷-聚合物復合材料的抗沖擊機制分析。(a-c) 高速攝像機拍攝的(a) ORT, (b) BOU, (c) GB結構復合材料在相同條件下的沖擊過程。(d-f) 不同角度的沖擊后BOU復合材料顯微ct圖像。(g-i) 不同角度破壞后的GB復合材料顯微ct圖像。(j-m) 光學顯微鏡觀察仿生GB復合材料試樣破壞后的詳細裂紋路徑。

圖4：仿生GB結構陶瓷-聚合物復合材料的有限元模擬。(a-c) ORT結構(a)、BOU結構(b)和GB結構(c)的陶瓷-聚合物復合材料的沖擊過程截面圖。(d-f) ORT(d)、 BOU(e)和GB(f)結構復合材料在沖擊后5.34 ms時陶瓷相的應力分布俯視圖。(g-i) 俯視圖為ORT(g)、BOU(h)和GB(i)結構復合材料在沖擊后5.34 ms時的聚合物相應力分布俯視圖。

五、【成果啟示】

本研究提出了一種仿生結構設計策略，將梯度結構引入Bouligand結構，來提高陶瓷-聚合物復合材料的抗沖擊性能。所得的GB結構復合材料具有由同軸排列的氧化鋁微米片加固的Bouligand結構陶瓷骨架，該骨架被設計成沿其厚度方向上纖維間距的呈梯度變化。引入的梯度結構進一步提高了所得復合材料的抗沖擊峰值力，其抗沖擊機制為通過堅硬密實的陶瓷前層來抵抗沖擊力，通過堅韌的以聚合物為主的基底層來最大限度地吸收剩余的沖擊能量，這在實驗和計算模擬中分別得到了驗證。文章中提出的仿生GB結構設計策略巧妙地結合了自然界中兩種典型的抗沖擊結構，為開發更先進的抗沖擊結構材料提供了新的設計思路

原文詳情：S.-M. Wen, S.-M. Chen, J.-Z. Bao,?et al.?Biomimetic Gradient Bouligand Structure Enhances Impact Resistance of Ceramic-Polymer Composites.?Adv. Mater.?(2023). https://doi.org/10.1002/adma.202211175

本文由煎蛋白供稿