中安在线、中安新闻客户端讯 鱼鳞做的盔甲,你见过吗?在大多数人的观念里,鱼鳞是需要扔掉的东西,没有什么价值。然而,有一种巨骨舌鱼的鱼鳞却可以形同盾牌盔甲。近日,中国科学技术大学俞书宏教授领导的仿生研究团队对盾皮鱼鳞微纳结构和强韧化机制进行深入研究,首次提出一种高效仿生组装策略,为设计制备类自然盾皮鱼鳞结构的宏观仿生防护材料提供了可行的制造方法。

  随着高技术领域对高性能防护材料需求的不断提高,现有防护材料(包括金属材料、陶瓷材料和纤维复合材料等)的局限性正逐渐显现。如金属密度大、陶瓷脆性和纤维复合材料硬度低等。最近,加州大学伯克利分校Robert Ritchie教授研究组揭示了“巨骨舌鱼”能够抵御食人鱼可怕攻击的机制,发现“巨骨舌鱼”鱼鳞中具有特殊的螺旋胶合板微纳结构,能吸收来自外界施加负荷的能量并能有效抵抗裂纹的扩张延伸,这正是其能够保护自己不被食人鱼咬伤的关键。然而,当前尚缺乏可以在宏观尺度对一维微纳米纤维单元进行灵活高效的组装排列技术,制备类自然盾皮鱼鳞结构的宏观仿生防护材料仍然是一个挑战。

  近日,中国科学技术大学俞书宏教授领导的仿生研究团队,在深入理解盾皮鱼鳞微纳结构和强韧化机制的基础上,首次提出单向/多向刷涂与螺旋层积相结合的高效仿生组装策略,实现了宏观尺度上灵活操纵一维微纳米纤维的空间排布。

  研究人员通过研究实验,证实了仿生螺旋结构材料的强韧化机制和自然盾皮鱼鳞高度类似,材料在承载时所产生的微裂纹平行于微纤维长轴方向进行延伸扩展,并且在不同取向的纤维层间呈现逐渐扭转延伸的趋势,最终形成螺旋状的裂纹形态。这种由仿生螺旋结构所带来的复杂裂纹扩展形态与常规纤维增强材料的类平面裂纹延伸形成了鲜明的对比,由于(仿生螺旋结构材料)在单位主裂纹长度上具有更大的破坏界面面积,因此具有更大的能量吸收亦即更为优异的损伤抵抗能力。

  研究所提出的仿生设计制备策略能够扩展至其他微纳米材料体系中,同时具有可程控、可扩大化和低能耗等优势,该策略无疑将为设计制备更多基于微纳米纤维的先进仿生复合材料提供了一种可行的制造方法。

  为了更深入理解这种仿生螺旋结构材料的承载变形行为和失效机理,俞书宏研究团队与我校吴恒安教授课题组开展了合作。通过对构筑的螺旋结构模型进行拉伸加载模拟分析研究表明,在仿生螺旋结构材料中小偏转角片层和大偏转角片层分别赋予材料的强度和韧性。他们还进一步发现,复杂的螺旋型裂纹扩展和层间耦合效应能进一步提升裂纹延伸阻力。因此,所研制的仿生螺旋结构材料具有卓越的力学性能。目前,该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目的资助。(记者 聂静洁)

  (责任编辑 王健)