【中国科学报】发现仿贝壳结构抗冲击性能弱化现象-中国科大新闻网

本报讯（见习记者王敏）中国科学技术大学教授倪勇、何陵辉研究团队发现仿贝壳结构在较高冲击速度下会丧失优异的抗冲击耗能机制，其性能弱于普通层状复合结构。基于此现象，该团队进一步突破以往随机混合的耐冲击结构设计方案，提出一种利用不同结构匹配冲击速率变化的混合结构抗冲击设计策略，为抗冲击性能优化的微结构仿生设计提供了新思路。相关研究成果日前发表于《自然-通讯》。

贝壳中的珍珠层通过“砖块-灰泥”结构相关的内在变形机制可以将能量耗散提升几个数量级，被视为新型抗冲击防护材料研发中的微结构设计模板之一。研究团队制备了激光雕刻结合层压组装的仿贝壳玻璃结构，以及三维数字模型结合3D打印的仿贝壳软硬复合材料结构，通过力学测试-损伤表征的实验研究并结合数值模拟和理论分析，详细探究了仿贝壳结构在不同冲击速度下的力学性能和损伤机制。

研究发现，在一定低速冲击范围内，仿贝壳结构会表现出卓越的抗冲击性能，而当冲击速度超过临界值时，该结构的抗冲击性能相比于普通层状复合结构将不再具有优势。数值模拟和标度律分析进一步揭示了临界冲击速度的大小与仿贝壳结构的砖块纵横比等尺寸参数和冲击边界条件相关，这间接解释了自然界中具有纳米级“砖块-灰泥”结构的贝壳可能会被捕食者以14.7~23.5米/秒速度击碎的现象。

利用这种现象，研究人员提出了一种将各种结构按抗冲击性能的优势速度范围逐层放置的混合结构设计策略。优化的混合结构可以成功结合仿贝壳结构和层状结构在不同冲击速度下的耗能优势，在更大冲击速度范围内实现最优的抗冲击性能。