摘要：现代工业中，防护材料常需面对复杂环境，尤其要承受不同速度下的冲击载荷。传统工程设计如层压结构、蜂窝结构、三明治结构虽有一定效果，但存在脱层、结构复杂和强韧性失衡等问题。大自然提供了诸多仿生启发，尤其是鱼鳞等天然结构，其由简单材料组成却展现出卓越防护性能。鱼
现代工业中，防护材料常需面对复杂环境，尤其要承受不同速度下的冲击载荷。传统工程设计如层压结构、蜂窝结构、三明治结构虽有一定效果，但存在脱层、结构复杂和强韧性失衡等问题。大自然提供了诸多仿生启发，尤其是鱼鳞等天然结构，其由简单材料组成却展现出卓越防护性能。鱼
鳞是常见的Bouligand螺旋纤维结构，尤其在低速冲击下展现出良好抗冲击性。然而，目前对其在高速冲击下的性能研究相对较少，限制了其在复杂工况下的应用拓展。因此，系统探索Bouligand类结构在宽范围速度冲击条件下的力学响应行为不仅有助于理解自然材料的增强机制，也有望指导工程应用中高性能仿生防护材料的开发。
成果简介
基于此，中国科学技术大学俞书宏院士、陈思铭副研究员、郑志军教授等人提出了一种“梯度双重扭转Bouligand结构”（DT-Bou-G）设计策略，实现了材料在从准静态至高达120 m/s速度冲击下的优异抗冲击性能。该研究以“Gradient double-twisted Bouligand structural design for high impact resistance over a wide range of loading velocities”为题，发表在《Science Advances》期刊上。
作者简介
俞书宏院士，长期从事无机材料的仿生合成与功能化的研究。在聚合物和有机小分子模板对纳米结构单元的尺寸和维度及取向生长的调控规律、仿生多尺度复杂结构材料的合成及构效关系研究方面取得多项创新成果。近年来，在面向应用的重要纳米结构单元的宏量制备、宏观尺度纳米组装体的制备与功能化、新型纳米材料的合成设计及能源转换材料等方面的研究取得了重要进展。已在国际重要学术期刊Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Science Adv., Nature Commun., Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等上发表通讯或第一作者论文430余篇。被SCI论文引用47868次，H因子122，2014-2019年连续入选全球高被引科学家名录。
研究亮点
1. 首次将双重螺旋Bouligand结构与材料梯度（PLA与TPU比例变化）相结合，形成DT-Bou-G结构，实现刚-柔结合的多层抗冲击系统。
2. 通过四类冲击测试（0.5 mm/min、2.1 m/s、4.3 m/s、120 m/s），验证该结构在低、中、高速冲击下均具有卓越的吸能与变形能力。
3. 结合有限元模拟与实验，揭示DT-Bou-G的裂纹扭转、纤维阻断、应力分布广泛及底层塑性耗散等复合增强机制。
图1 DT-Bou-G结构的设计、制备与性能
图1展示了DT-Bou-G结构的设计理念、材料组成及其在多种冲击速度下的力学表现。该结构在传统Bouligand结构的基础上，引入梯度材料分布，即在垂直方向上由刚性的PLA过渡至柔性的TPU，形成刚-柔结合的多层次结构（图1A）。拉伸模量测试结果显示，随着TPU比例增加，材料模量显著降低（图1B），验证了结构梯度性。冲击实验表明，DT-Bou-G在2.1 m/s、4.3 m/s和120 m/s三种速度下的能量吸收均优于S-Bou与DT-Bou（图1C）。此外，图1D从微观层面揭示其抗冲击机制：表层硬质材料用于钝化冲击力，底层柔性材料用于耗散能量，裂纹沿螺旋路径传播并受限于纤维阻挡。图1E和1F分别展示了实际打印样品和微观结构图，验证了其结构构建的可行性和精确性。
图2 Bouligand类结构的准静态弯曲与低速冲击测试
图2展示了不同Bouligand结构在准静态弯曲及低速冲击测试中的性能差异。实验显示，DT-Bou结构较传统单向层状与单Bouligand结构具有更高模量和能量吸收能力；而引入梯度设计后的DT-Bou-G结构则在所有测试中表现最优。在摆锤冲击中，DT-Bou-G的吸能能力达到37.4 kJ/m²，远高于其它结构（图2C）。落锤测试中，其不仅具备更高峰值载荷和能量吸收（图2D、2E），还展现出最低的末速度与最长的冲击作用时间（图2F）。破坏形貌观察（图2G、2H）进一步证实：DT-Bou-G结构具备显著抗裂纹扩展与破坏能力，展现出卓越的抗冲击韧性与结构稳定性。
图3 Bouligand类结构的高速弹道冲击测试
图3展示了不同Bouligand结构在高速弹道冲击（约120 m/s）下的响应行为。高速摄像结果显示，S-Bou和DT-Bou结构均被子弹穿透，而DT-Bou-G结构能够实现子弹回弹，未被完全破坏（图3A-C）。破坏形貌分析表明，S-Bou与DT-Bou在背面形成典型的锥形破坏区，且DT-Bou破坏面积略小于S-Bou（图3D、3E）；而DT-Bou-G仅出现表面裂纹，结构整体保持完整（图3F）。裂纹传播路径进一步揭示了DT-Bou中垂直纤维对裂纹具有阻断作用，形成更为复杂和曲折的裂纹路径（图3G、3H），增强了能量耗散。
图4 落锤测试下的有限元模拟
图4展示了不同Bouligand结构在落锤冲击下的有限元模拟结果，验证了实验中观察到的力学表现。模拟结果表明，DT-Bou结构比UL和S-Bou结构具有更低的末速度（2.11 m/s & 3.10 m/s 和 2.82 m/s），而DT-Bou-G则最低，仅为1.50 m/s，说明其能更有效地耗散冲击能量（图4C）。从载荷-位移曲线看，DT-Bou-G在承受最大载荷的同时具有更大位移（图4D），显示其高强度与韧性兼具。图4E和4F进一步展示了裂纹演化过程与应力分布情况，DT-Bou-G展现出更广泛的应力传导区域和复杂的裂纹路径，说明其在结构和材料梯度协同作用下，具备优越的冲击吸收与破坏延缓能力。模拟结果与实验高度一致，验证了DT-Bou-G的卓越防护性能。
图5 弹道冲击下的有限元模拟
图5展示了不同Bouligand结构在高速弹道冲击下的有限元模拟结果，揭示了DT-Bou-G结构优异的抗穿透能力和能量耗散机制。模拟结果表明，DT-Bou在冲击初期仅呈现局部应力集中，难以及时激活韧化机制，最终被完全贯穿（图5A、5B）；而DT-Bou-G则因其梯度材料设计，可在底层形成大范围塑性变形，有效缓解冲击力。其末速度最低、塑性耗散最高（为其它结构两倍以上），说明其能通过柔性底层吸收更多动能（图5C-E）。最终阶段应力与裂纹分布图（图5F-H）进一步显示DT-Bou-G不仅避免了穿透，还成功回弹子弹。上述结果表明，依靠结构设计难以应对高速冲击，唯有结合材料梯度才能显著提升防护性能。
总结展望
该研究成功开发出一种兼具结构优化与材料梯度的仿生防护结构DT-Bou-G，显著提升了材料在多种速度冲击条件下的能量耗散能力与损伤容限。相比传统Bouligand结构，其在裂纹扩展、应力传导与破坏模式方面具有显著改进。尤其在高速冲击场景中，结构设计本身难以应对局部瞬时加载，而DT-Bou-G的柔性底层通过塑性形变有效延缓与缓解冲击，实现了从结构主导到材料主导的抗冲击机制转变。
文献信息
Gradient double-twisted Bouligand structural design for high impact resistance over a wide range of loading velocities. Science Advances, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv2169
来源：朱老师讲VASP
