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工学院韦小丁课题组揭示自然界生物复合材料优异抗冲击性能机理

2018-07-02  660

 

无论对于航空航天飞行器还是船舶汽车,动态载荷相比于静态载荷出现得更为广泛且危害更为严重。发展具有优异冲击防护性能的新型材料,对空间飞行器应对碎片冲击防护、防弹装备在高速弹丸冲击下对单兵的防护、车辆在爆炸或高速撞击情况下对乘员的防护等应用领域具有重要意义。近年来,研究人员正从自然界中一些具有优异力学性能的生物复合材料的精细微观结构中得到灵感和启发,建立复合材料的“组分-结构-性能”关系。例如,之前有研究发现,一束铅笔粗细的蛛丝完全能拉停一架飞行中的波音747飞机!

2018年6月1日,工学院韦小丁课题组在生物和仿生复合材料领域国际知名期刊Acta Biomaterialia上发表了题为“Dynamic shear-lag model for understanding the role of matrix in energy dissipation in fiber-reinforced composites”(https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.04.031)的研究论文。与目前抗冲击复合材料追求高刚度、高强度的连续纤维的设计思路不同,韦小丁课题组发现,应力波在连续纤维中传播过程中会很快同步,从而导致基体材料不能有效参与冲击能量耗散。而自然界中许多生物复合材料却往往具有精巧设计的非连续交错结构。该研究通过建立动剪滞理论模型分析了纤维增强复合材料中粘弹性基体在复合材料抗冲击性能中的重要作用,首次揭示了基体力学性质以及微观交错结构对冲击能量耗散过程中起到的重要作用,有助于理解生物复合材料如贝壳、蜘蛛丝、骨骼等具有优异的抗冲击性能的内在机理。


图1. 拥有经过精细设计的交错结构的复合材料能够极大的提高基体材料在冲击能量耗散中的贡献,从而优化宏观复合材料的抗冲击性能。

北京大学工学院韦小丁研究员为该论文通讯作者,博士生刘俊杰为第一作者。此项研究得到了中组部“青年千人计划”、国家自然科学基金、国家重点研发计划和北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心的支持。