中科大俞书宏院士团队Adv. Mater.：仿生高抗冲击性能陶瓷-聚合物复合材料

一、【导读】

优异的抗冲击性能对结构材料尤其是铠甲类护具的应用至关重要。传统的结构材料，包括金属、陶瓷、聚合物和纤维增强复合等近年来在结构与性能的提升上取得了很大的进展，但仍需要不断地探索更有效的结构设计策略来获得更优异的抗冲击性能，从而满足相关领域日益增长的应用需求。自然界为研制抗冲击材料提供了丰富的灵感来源，例如，由螺旋排列的纳米纤维薄片组成的Bouligand结构广泛存在于鱼鳞、骨骼和甲壳类动物的外骨骼中，其结构作用机制是在受到外部冲击载荷时通过旋转和重新定位有序的纳米纤维来吸收能量。该结构通常被引入结构材料中作为主要的能量吸收结构，来提高材料在动态载荷情况下的抗冲击性能。另一种具有代表性的抗冲击生物结构是梯度结构，其被发现也广泛存在于竹子、骨骼和甲壳类动物的外骨骼等多种生物材料中。这些生物材料在结构或组分上呈梯度变化的特点，坚硬的外层可以直接抵抗捕食者的猛烈攻击，而坚韧的内层具有更强的变形能力，从而提高材料的能量吸收能力。在这些生物结构元素和其基本作用机制的启发下，学者们尝试制造了许多高性能的仿生物结构材料。然而，大多数研究都集中在单一的生物结构（如布利冈结构或梯度结构）模仿上，材料的性能提升有限。通过整合不同的生物结构元素来设计开发仿生材料有望实现更有效的性能提升，但是仍然极具挑战性。

二、【成果掠影】

近日，中国科学技术大学化学系俞书宏院士、高怀岭教授和力学系郑志军副教授团队提出了一种独特的仿生梯度Bouligand（GB）结构设计。在3D打印技术的辅助下，氧化铝微米片首先在高岭土打印纤维内同轴排列，然后通过调节每层的纤维间距将其排列成GB结构骨架，通过进一步烧结得到陶瓷骨架，并将聚合物熔融浸渍道骨架内，从而得到仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料。作者系统地评估了不同结构元素（微米片排列、聚合物引入、陶瓷纤维的Bouligand排列和组分的梯度分布）对所得陶瓷-聚合物复合材料的性能改善的预期结果。研究显示，与无结构设计和单一结构设计的复合材料相比，GB结构的复合材料显示出大幅改善的动态抗冲击性能，通过结合有限元（FE）模拟进一步阐明了这种仿生GB结构在动态冲击过程中的基本作用机制。相关研究结果以题为“Biomimetic Gradient Bouligand Structure Enhances Impact Resistance of Ceramic-Polymer Composites”发表在国际知名期刊Advanced Materials上。

三、【核心创新点】

本文提出了一种将梯度结构与Bouligand结构耦合的仿生结构设计策略，来同时提高陶瓷-聚合物复合材料在抵御冲击过程的峰值力和总能量吸收，为未来开发轻质和抗冲击的先进结构材料提供了新的设计思路。

四、【数据概览】

图1：仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的制造。(a) 仿生GB复合材料的制备工艺示意图。(b) 氧化铝微米片在纤维打印过程中受剪切力诱导的排列示意图。(c,d) GB陶瓷骨架呈现梯度和螺旋特征示意图(c)，对应复合材料呈现扭曲裂纹扩展示意图(d)。(e) SEM横截面图显示烧结高岭土纤维中氧化铝微米片的近似同轴排列。黄色箭头表示氧化铝微米片的横截面。(f) 按照上述步骤制作的一个典型的仿生学GB复合材料照片。渗透的聚合物为PC。(g) 通过纤维ct技术对仿生GB-PC复合材料进行三维重建；不同的颜色代表不同层的纤维。

图2：仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的力学性能。(a) 不同氧化铝含量高岭土-氧化铝陶瓷的抗弯强度比较。(b) 纯高岭土、具有无序排列的氧化铝纳米片的高岭土陶瓷和取向排列的高岭土-氧化铝(40 wt.%)陶瓷的典型弯曲应力-应变曲线。(c) 不同纤维间距增量的仿生GB高岭土-氧化铝(40 wt.%)-PC复合材料抗冲击性能比较。(d) 不同浸渍聚合物的仿生GB复合材料抗冲击性能比较。(e,f) 不同结构的高岭土-氧化铝(40 wt.%)陶瓷和高岭土-氧化铝(40 wt.%)-PC复合材料落锤冲击试验典型力-位移曲线(e)和抗冲击性能比较(f)。(g) GB结构仿生高岭土-PC复合材料和高岭土-氧化铝(40 wt.%)-PC复合材料落锤冲击试验的典型力-位移曲线。(h)不同正面的GB高岭土-氧化铝(40 wt.%)-PC复合材料落锤冲击试验典型力-位移曲线。(i)高岭土-氧化铝(40 wt.%)复合材料与不同结构和聚合物的抗冲击性比较。

图3：仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的抗冲击机制分析。(a-c) 高速摄像机拍摄的(a) ORT, (b) BOU, (c) GB结构复合材料在相同条件下的冲击过程。(d-f) 不同角度的冲击后BOU复合材料显微ct图像。(g-i) 不同角度破坏后的GB复合材料显微ct图像。(j-m) 光学显微镜观察仿生GB复合材料试样破坏后的详细裂纹路径。

图4：仿生GB结构陶瓷-聚合物复合材料的有限元模拟。(a-c) ORT结构(a)、BOU结构(b)和GB结构(c)的陶瓷-聚合物复合材料的冲击过程截面图。(d-f) ORT(d)、 BOU(e)和GB(f)结构复合材料在冲击后5.34 ms时陶瓷相的应力分布俯视图。(g-i) 俯视图为ORT(g)、BOU(h)和GB(i)结构复合材料在冲击后5.34 ms时的聚合物相应力分布俯视图。

五、【成果启示】

本研究提出了一种仿生结构设计策略，将梯度结构引入Bouligand结构，来提高陶瓷-聚合物复合材料的抗冲击性能。所得的GB结构复合材料具有由同轴排列的氧化铝微米片加固的Bouligand结构陶瓷骨架，该骨架被设计成沿其厚度方向上纤维间距的呈梯度变化。引入的梯度结构进一步提高了所得复合材料的抗冲击峰值力，其抗冲击机制为通过坚硬密实的陶瓷前层来抵抗冲击力，通过坚韧的以聚合物为主的基底层来最大限度地吸收剩余的冲击能量，这在实验和计算模拟中分别得到了验证。文章中提出的仿生GB结构设计策略巧妙地结合了自然界中两种典型的抗冲击结构，为开发更先进的抗冲击结构材料提供了新的设计思路

原文详情：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