1.引言
在自然界中，许多生物体拥有独特的复合结构，这些结构使它们能够抵御各种外部冲击。例如，龟壳和贝壳等生物铠甲展现出了卓越的抗冲击性能。近年来，随着材料科学的发展，仿生学已成为研究新材料和结构设计的重要方向。尽管已有大量研究关注仿生复合材料的力学性能和抗冲击特性，但仍存在许多挑战。
近日，国际知名期刊《Composite Structures》发表了同济大学在仿生结构增材制造技术和落锤试验方面的研究工作，对四种仿生刚柔相复合板（Bio-T、Bio-M、Bio-B和Bio-N）在低速冲击下的损伤行为和吸能特性进行深入研究，并揭示了这些仿生复合板材在抗冲击方面的优异性能及其机制，为设计具有更好抗冲击性能的新型仿生复合材料提供了重要参考。论文标题为“Anti-impact performance of bionic tortoiseshell-like composites”。
2.研究内容及方法
文章通过综合运用理论研究、试验研究和数值分析等多种手段，对仿生复合板材在低速冲击下的力学响应和损伤机制进行了全面而深入的探究。
主要探讨了四种受生物壳体启发的仿生复合板材（Bio-T、Bio-M、Bio-B和Bio-N）在低速冲击下的力学响应和损伤机制。通过对比这些材料的性能，旨在找出具有最佳抗冲击性能的仿生复合板材设计。
图1.以龟甲为灵感的Bio-T示意图 受软体动物外壳启发的Bio-M示意图 受甲虫外骨骼启发的Bio-B示意图 受珍珠母启发的Bio-N示意图
研究团队通过增材制造技术成功制备了四种仿生复合板材（Bio-T、Bio-M、Bio-B和Bio-N）。这些板材的设计灵感分别来源于龟壳、贝壳、甲虫外骨骼和珍珠层的微观结构。随后，利用落锤试验机对这些仿生复合板材进行了系统的低速冲击测试。在测试过程中，严格控制了冲击能量、冲击速度和冲击角度等变量，以确保试验结果的准确性和可比性。
图2.落锤试验的实验设备及示意图：(a) Instron Ceast 9350 ；(b)落锤实验装置
为了更深入地理解仿生复合板材在低速冲击下的力学行为和损伤机制，研究团队还建立了相应的数值分析模型。这些模型基于有限元方法，能够模拟板材在冲击过程中的应力分布、变形情况和裂纹扩展路径等关键信息。通过与试验结果的对比验证，数值分析模型的有效性得到了充分确认。
图3.冲击实验后所有试件的损伤模式照片。
在数据分析方面，研究团队对试验和模拟过程中产生的大量数据进行了深入挖掘和处理。通过对冲击力、位移、能量吸收等关键指标的统计分析，揭示了不同仿生复合板材在低速冲击下的性能差异和损伤特点。此外，还利用微观结构分析手段对冲击后的试样进行了详细观察，进一步揭示了仿生复合板材的损伤机制和能量吸收机理。
图4.15J 冲击能量下Bio-T 截面裂纹扩展模式：(a) Bio-T [30°/90°/30°]；(b) Bio-T [0°/30°/0°]。
3.总结
该研究通过增材制造技术和落锤试验对四种仿生复合板材在低速冲击下的损伤行为和吸能特性进行了系统研究。结果表明Bio-T复合板材具有最佳的抗冲击性能，其优异性能主要归功于其独特的刚柔相复合结构和界面强度。该研究为设计具有更好抗冲击性能的新型仿生复合材料提供了重要参考，并在防护工程领域具有广阔的应用前景。
原始文献：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
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116315
