防護(hù)用工程結(jié)構(gòu)材料通常面臨復(fù)雜的服役環(huán)境�，F(xiàn)有的工程防護(hù)材料多采用層壓板結(jié)構(gòu)、晶胞結(jié)構(gòu)以及三明治結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方案。相關(guān)材料雖然具有優(yōu)異的抗沖擊性能，但仍受限于層間開層、質(zhì)量過重以及強(qiáng)韌互斥等問題隱患，逐漸難以滿足日益復(fù)雜的服役環(huán)境需求。

自然界中的生物裝甲為研制抗沖擊材料提供了豐富的靈感來源。其中，鱗片作為魚類的最外部“防護(hù)裝備”，起著保護(hù)底層軟組織的關(guān)鍵作用，引起了研究人員廣泛關(guān)注。在結(jié)構(gòu)上，魚鱗中的膠原納米纖維通常單向聚集成薄層進(jìn)而螺旋堆疊組裝為有序布利岡（Bouligand）結(jié)構(gòu)并通過纖維基元滑移、形變、扭轉(zhuǎn)和再定向等實(shí)現(xiàn)增韌。除了這種單一布利岡結(jié)構(gòu)，近年研究人員還在“古化石”腔棘魚中發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的雙重布利岡結(jié)構(gòu)，它由兩套單一布利岡結(jié)構(gòu)互相嵌套構(gòu)成。研究人員通過準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)單一布利岡結(jié)構(gòu)（如巨骨舌魚鱗片的結(jié)構(gòu)）具有更為優(yōu)異的力學(xué)性能。然而，目前關(guān)于雙重布利岡結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究以及更廣泛的布利岡大類結(jié)構(gòu)在寬譜加載速度下的防護(hù)性能研究依然缺乏。深入挖掘生物布利岡結(jié)構(gòu)智慧，設(shè)計(jì)制備可以在復(fù)雜環(huán)境下使用的防護(hù)工程結(jié)構(gòu)材料具有重要的科學(xué)意義與實(shí)用價(jià)值。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)基于前期在仿生布利岡結(jié)構(gòu)材料研究基礎(chǔ)上，協(xié)同考慮纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組分調(diào)控，提出了一種獨(dú)特的梯度雙重布利岡（DT-Bou-G）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，探索通過協(xié)同強(qiáng)韌化機(jī)制實(shí)現(xiàn)寬譜加載速度下高性能防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的可行性（圖1）。研究團(tuán)隊(duì)以軟質(zhì)熱塑性聚氨酯（TPU）和硬質(zhì)聚乳酸（PLA）為基本模型原料，通過雙料熔融噴頭3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)材料組分由硬PLA向軟TPU逐漸轉(zhuǎn)變（梯度變化）并最終構(gòu)筑出新型仿生DT-Bou-G復(fù)合材料。該復(fù)合材料較正交結(jié)構(gòu)（UL）、單一布利岡結(jié)構(gòu)（BOU）、雙重布利岡結(jié)構(gòu)（DT-Bou）以及雙重布利岡交替結(jié)構(gòu)（DT-Bou-A）材料而言，在準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)測試（單邊開口梁）、低速?zèng)_擊測試（擺錘沖擊和落錘沖擊）和高速?zèng)_擊測試（子彈沖擊）中都展現(xiàn)出更強(qiáng)的防護(hù)性能。相關(guān)研究成果以“Gradient double-twisted Bouligand structural design for high impact resistance over a wide range of loading velocities”為題發(fā)表在國際期刊《科學(xué)進(jìn)展》上，論文的第一作者是�；瘜W(xué)系博士后文韶萌和近代力學(xué)系博士生高偉韜，通訊作者為合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員陳思銘、近代力學(xué)系教授鄭志軍和俞書宏院士。

(關(guān)鍵字：PLA TPU)