1.引言
在自然界中，許多生物體擁有獨(dú)特的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)使它們能夠抵御各種外部沖擊。例如，龜殼和貝殼等生物鎧甲展現(xiàn)出了卓越的抗沖擊性能。近年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，仿生學(xué)已成為研究新材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方向。盡管已有大量研究關(guān)注仿生復(fù)合材料的力學(xué)性能和抗沖擊特性，但仍存在許多挑戰(zhàn)。
近日，國際知名期刊《Composite Structures》發(fā)表了同濟(jì)大學(xué)在仿生結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)和落錘試驗(yàn)方面的研究工作，對(duì)四種仿生剛?cè)嵯鄰?fù)合板（Bio-T、Bio-M、Bio-B和Bio-N）在低速?zèng)_擊下的損傷行為和吸能特性進(jìn)行深入研究，并揭示了這些仿生復(fù)合板材在抗沖擊方面的優(yōu)異性能及其機(jī)制，為設(shè)計(jì)具有更好抗沖擊性能的新型仿生復(fù)合材料提供了重要參考。論文標(biāo)題為“Anti-impact performance of bionic tortoiseshell-like composites”。
2.研究內(nèi)容及方法
文章通過綜合運(yùn)用理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值分析等多種手段，對(duì)仿生復(fù)合板材在低速?zèng)_擊下的力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)制進(jìn)行了全面而深入的探究。
主要探討了四種受生物殼體啟發(fā)的仿生復(fù)合板材（Bio-T、Bio-M、Bio-B和Bio-N）在低速?zèng)_擊下的力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)制。通過對(duì)比這些材料的性能，旨在找出具有最佳抗沖擊性能的仿生復(fù)合板材設(shè)計(jì)。
圖1.以龜甲為靈感的Bio-T示意圖 受軟體動(dòng)物外殼啟發(fā)的Bio-M示意圖 受甲蟲外骨骼啟發(fā)的Bio-B示意圖 受珍珠母啟發(fā)的Bio-N示意圖
研究團(tuán)隊(duì)通過增材制造技術(shù)成功制備了四種仿生復(fù)合板材（Bio-T、Bio-M、Bio-B和Bio-N）。這些板材的設(shè)計(jì)靈感分別來源于龜殼、貝殼、甲蟲外骨骼和珍珠層的微觀結(jié)構(gòu)。隨后，利用落錘試驗(yàn)機(jī)對(duì)這些仿生復(fù)合板材進(jìn)行了系統(tǒng)的低速?zèng)_擊測(cè)試。在測(cè)試過程中，嚴(yán)格控制了沖擊能量、沖擊速度和沖擊角度等變量，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。
圖2.落錘試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及示意圖：(a) Instron Ceast 9350 ；(b)落錘實(shí)驗(yàn)裝置
為了更深入地理解仿生復(fù)合板材在低速?zèng)_擊下的力學(xué)行為和損傷機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)還建立了相應(yīng)的數(shù)值分析模型。這些模型基于有限元方法，能夠模擬板材在沖擊過程中的應(yīng)力分布、變形情況和裂紋擴(kuò)展路徑等關(guān)鍵信息。通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，數(shù)值分析模型的有效性得到了充分確認(rèn)。
圖3.沖擊實(shí)驗(yàn)后所有試件的損傷模式照片。
在數(shù)據(jù)分析方面，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)試驗(yàn)和模擬過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入挖掘和處理。通過對(duì)沖擊力、位移、能量吸收等關(guān)鍵指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，揭示了不同仿生復(fù)合板材在低速?zèng)_擊下的性能差異和損傷特點(diǎn)。此外，還利用微觀結(jié)構(gòu)分析手段對(duì)沖擊后的試樣進(jìn)行了詳細(xì)觀察，進(jìn)一步揭示了仿生復(fù)合板材的損傷機(jī)制和能量吸收機(jī)理。
圖4.15J 沖擊能量下Bio-T 截面裂紋擴(kuò)展模式：(a) Bio-T [30°/90°/30°]；(b) Bio-T [0°/30°/0°]。
3.總結(jié)
該研究通過增材制造技術(shù)和落錘試驗(yàn)對(duì)四種仿生復(fù)合板材在低速?zèng)_擊下的損傷行為和吸能特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明Bio-T復(fù)合板材具有最佳的抗沖擊性能，其優(yōu)異性能主要?dú)w功于其獨(dú)特的剛?cè)嵯鄰?fù)合結(jié)構(gòu)和界面強(qiáng)度。該研究為設(shè)計(jì)具有更好抗沖擊性能的新型仿生復(fù)合材料提供了重要參考，并在防護(hù)工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
原始文獻(xiàn)：Wang, J., Hu, D., Zhang, Z., Pei, B., Xu, R., & Wu, X. (2023). Anti-impact performance of bionic tortoiseshell-like composites. Composite Structures, 303, 116315. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116315
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116315
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