自然貝殼中的珍珠層具有高度規則的“磚塊-灰泥”微結構，是天然的抗衝擊盔甲，被視為新型抗衝擊防護材料研發中的微結構設計模板之一。近日，中國科學技術大學倪勇教授、何陵輝教授研究團隊發現，倣貝殼結構在較高衝擊速度下會喪失優異的抗衝擊耗能機制，其性能會弱于普通層狀複合結構；基於此現象，研究者進一步提出一種混合結構抗衝擊設計策略，為抗衝擊性能優化的微結構倣生設計提供了新的思路。成果發表在國際期刊《自然通訊》。

　　珍珠層是自然材料中最具有代表性的結構倣生模型之一，通過“磚塊-灰泥”結構相關的內在變形機制可以將能量耗散提升幾個數量級。現有研究已充分展現出倣貝殼結構在部分低衝擊速度下，作為防護材料抗衝擊設計模板的優越性。但在自然環境下，貝殼會經常被捕食者以一定的衝擊速度擊碎，不清楚倣貝殼結構在更大範圍的速度載入下是否仍然具有顯著的抗衝擊性能。

　　中科大研究團隊製備了鐳射雕刻結合層壓組裝的倣貝殼玻璃結構，以及三維數字模型結合3D列印的倣貝殼軟硬複合材料結構，通過力學測試-損傷表徵的實驗研究並結合數值模擬和理論分析，詳細探究了倣貝殼結構在不同衝擊速度下的力學性能和損傷機制。

　　研究發現，在一定低速衝擊範圍內，倣貝殼結構會表現出卓越抗衝擊耗能，而當衝擊速度超過臨界值時，倣貝殼結構的抗衝擊性能相比于普通層狀結構將不再具有優勢。在低衝擊速度下，倣貝殼結構中的磚塊滑動機制會更早被激活，産生大範圍非彈性變形，並於臨界速度下達到耗能飽和狀態；而層狀結構通過層間大面積脫層和層內裂紋擴展，會在更高的衝擊速度區間內耗散更多的能量。

　　數值模擬和標度律分析進一步揭示了當達到臨界衝擊速度後，倣貝殼結構和層狀結構抗衝擊性能的優勢總會出現反轉這一現象的內在機理。臨界衝擊速度的大小與倣貝殼結構的磚塊縱橫比等尺寸參數和衝擊邊界條件相關，這間接解釋了自然界中具有納米級“磚塊-灰泥”結構的貝殼可能會被捕食者以14.7至23.5m/s速度擊碎的現象。

　　利用這種現象，研究人員根據衝擊速度在材料內部沿載入方向衰減的特性，提出了一種將各種結構按抗衝擊性能的優勢速度範圍逐層放置的混合結構設計策略。優化的混合結構可以成功結合倣貝殼結構和層狀結構在不同衝擊速度下的耗能優勢，在更大的衝擊速度範圍內實現最優的抗衝擊性能。這一混合結構設計策略易於實現、效果顯著，未來可通過結合其他結構在衝擊速度上的不同優勢進行多層組合，提高防護結構材料在更大衝擊速度範圍內的綜合抗衝擊性能。（安徽日報 記者 陳婉婉）