據(jù)悉，許多安全關(guān)鍵的工程系統(tǒng)需要具有高沖擊吸收的透明材料?，F(xiàn)有的透明韌性復合材料具有更高的抗沖擊性，但由于沖擊吸收能力差，經(jīng)(jīng)常會(huì )發(fā)(fā)生災難性的失效。來(lái)自蒙特利爾工學(xué)院的一個(gè)團隊2020年10月28日在《 Cell Reports Physical Science》上提出了一種使用3D打印技術(shù)制造透明的沖擊吸收復合材料，該復合材料再現(xiàn)了蜘蛛絲中涉及犧牲鍵和隱藏長(cháng)度的增韌機制，可吸收多達95.6％的沖擊能量，而且不會(huì )斷裂。這一創(chuàng )(chuàng)新，為創(chuàng )(chuàng)造牢不可破的塑料外殼鋪平了道路。

Graphical Abstract圖形摘要

自然界的美麗景象經(jīng)(jīng)常令人驚嘆，鼓舞著(zhù)我們獲取靈感。從自然界獲取的靈感會(huì )促使人們利用新近發(fā)(fā)展的增材制造技術(shù)將其付諸實(shí)踐。來(lái)自自然的美麗景象，尤其是自然界巧奪天工的結構，不僅僅指自然界的結構具有完美的曲線(xiàn)和獨特的有機體結構，而且還指其具有獨一無(wú)二的功能和性能，甚至是多功能的性能。在大約超過(guò)38億年的進(jìn)化過(guò)程中，自然界的生物已經(jīng)(jīng)經(jīng)(jīng)過(guò)物競天擇的過(guò)程而形成了獨特的功能性結構，這一結構要么由有機體本身所決定的，要么由外部環(huán)(huán)境所決定的。向大自然的這一結構學(xué)習，可以?xún)?yōu)(yōu)化提升工程中的實(shí)際應用效果，甚至可以幫助我們解決實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題，而且這還是一個(gè)可持續(xù)發(fā)(fā)展的解決辦法。

蜘蛛網(wǎng)(wǎng)是由它們的編織者進(jìn)化而來(lái)的，用來(lái)耗散捕獲獵物時(shí)產(chǎn)(chǎn)生的巨大動(dòng)能。與肌腱等其他堅韌的生物材料只有10%的吸收能量消散，90%作為彈性能量?jì)Υ嬖诓牧现胁煌?，蜘蛛網(wǎng)(wǎng)吸收的能量有高達70%消散在系統(tǒng)之外。蜘蛛網(wǎng)(wǎng)主要通過(guò)分子鍵的斷裂、熵的增加以及徑向線(xiàn)的內(nèi)部發(fā)(fā)熱來(lái)消散能量。因此，在卸載時(shí)釋放的彈性能被最小化，以避免昆蟲(chóng)在撞擊后被擺動(dòng)的網(wǎng)(wǎng)彈射出去。徑向線(xiàn)中的能量耗散歸因于絲原纖維納米結構，該結構由β片狀納米晶體和半非晶域組成（圖1A）。拉伸后，半非晶域中氫鍵的斷裂和蛋白鏈的解開(kāi)有助于較大的擴展性和高能量耗散。這就是所謂的犧牲鍵和隱藏長(cháng)度(sacrificial bonds and hidden lengths, SBHL)機理。這種耗能機理的變化形式已經(jīng)(jīng)成功地應用于水凝膠和彈性體，從而導致高達85％的高滯后性。研究人員試圖在微觀(guān)尺度上擴大這種分子水平的機制，以制造出可以吸收大量能量并像蜘蛛網(wǎng)(wǎng)一樣捕獲彈丸的新型沖擊吸收結構復合材料(圖1B)。

↓↓↓圖1. 受蜘蛛網(wǎng)(wǎng)啟發(fā)(fā)的透明減震復合材料的設計↓↓↓

▲圖1a. 蜘蛛網(wǎng)(wǎng)捕捉飛行獵物的示意圖。蜘蛛網(wǎng)(wǎng)的高能量耗散是由絲狀原纖維納米結構中的β片狀納米晶體和半非晶域引起的。后者包含具有鏈內(nèi)和鏈間氫鍵的高度可擴展的蛋白質(zhì)(zhì)鏈。在張力作用下，半非晶域內(nèi)氫鍵的斷裂解開(kāi)了蛋白質(zhì)(zhì)鏈的隱藏部分，從而增加了蜘蛛絲的可延展性和韌性。

▲圖1b. 受蜘蛛網(wǎng)(wǎng)啟發(fā)(fā)的，透明的、吸收沖擊的復合材料，經(jīng)(jīng)過(guò)五次反復的沖擊后，能捕捉到自由落體的棒球。棒球的重量為0.5千克，并從落鏢沖擊試驗機上從0.66米的高度掉落。沖擊前后復合材料的圖像顯示出犧牲鍵的斷裂和隱藏長(cháng)度的展開(kāi)，再現(xiàn)了蜘蛛絲的耗能機理。

受到蜘蛛網(wǎng)(wǎng)的啟發(fā)(fā)，蒙特利爾工學(xué)院的Frédérick Gosselin教授、Daniel Therriault教授以及博士生Shibo Zou希望展示如何將塑料織帶結合到玻璃板中以防止撞擊時(shí)破碎。

通過(guò)3D打印進(jìn)行仿生

研究人員使用聚碳酸酯來(lái)達到目的。加熱時(shí)，聚碳酸酯像蜂蜜一樣變得粘稠。Gosselin教授的團隊使用3D打印機利用此特性來(lái)“編織”一系列厚度小于2毫米的纖維，然后通過(guò)垂直打印一系列新的纖維來(lái)快速重復該過(guò)程，然后快速移動(dòng)，直到整個(gè)纖網(wǎng)(wǎng)固化為止。

當3D打印機將其緩慢擠出以形成纖維時(shí)，熔融的塑料會(huì )形成最終形成圓圈，最終形成一系列的環(huán)(huán)。研究人員Gosselin解釋說(shuō)：“一旦變硬，這些環(huán)(huán)就會(huì )變成犧牲連接，從而賦予纖維額外的強度。當發(fā)(fā)生撞擊時(shí)，這些犧牲連接會(huì )吸收能量并破壞以維持纖維的整體完整性，類(lèi)似于絲綢蛋白?！?/span>

▲復合材料制造工藝示意圖。由微結構聚碳酸酯纖維組成的雙層織物由IFFF公司制造，然后在內(nèi)部尺寸為100 × 100 × 1.5毫米(長(cháng)×寬×厚)的模具中用透明彈性體滲透。使用兩種具有不同折射率值(589納米時(shí)為1.41和1.55)的透明彈性體來(lái)制造復合材料。

在2015年發(fā)(fā)表的一篇文章中，Gosselin教授的團隊演示了這些纖維制造背后的原理（如下圖）。

該研究的主要作者Shibo Zou借此機會(huì )舉例說(shuō)明了這種網(wǎng)(wǎng)在防護屏內(nèi)部時(shí)的行為。在將一系列纖維網(wǎng)(wǎng)嵌入透明樹(shù)脂板后，他進(jìn)行了沖擊試驗。結果如何？塑料晶片可分散高達95.6％的沖擊能量而不會(huì )破裂。它們不會(huì )破裂，而是在某些地方變形，從而保持了晶圓的整體完整性。

▲(G–J). (G)彈性體薄膜、(H)直纖維復合膜、(I)交替纖維復合膜和(J)混合纖維復合膜在初始接觸后六個(gè)不同瞬間的沖擊試驗的高速照相機快照(t= 0 ms)。因為剛度在四個(gè)不同的試樣之間是不同的，所以在同一瞬間，飛鏢出現(xiàn)在四個(gè)試樣的不同位置。位移d定義為首次接觸后省道的垂直位移，標記在每個(gè)樣品的每個(gè)快照上。在相同的沖擊能量(5 J)下，沖擊器穿透彈性體膜和直纖維復合膜。交替纖維復合膜和混雜纖維復合膜通過(guò)吸收大量能量來(lái)捕獲沖擊器。彈性能量的釋放使飛鏢彈回并產(chǎn)(chǎn)生(B)所示的卸載曲線(xiàn)。(K–N)沖擊試驗后斷裂的(K)彈性體膜、(L)直纖維復合膜、(M)交替纖維復合膜和(N)混雜纖維復合膜的光學(xué)圖像。插圖中的比例尺代表10毫米。

根據(jù)Gosselin教授的說(shuō)法，這種受自然啟發(fā)(fā)的創(chuàng )(chuàng)新可能導致制造出新型的防彈玻璃，或者導致生產(chǎn)(chǎn)出更加耐用的塑料保護型智能手機屏幕。戈塞林教授指出：“它也可以在航空航天中用作飛機發(fā)(fā)動(dòng)機的保護涂層?！蓖瑫r(shí)，他當然打算探索這種方法可能為他打開(kāi)的可能性。

參考文獻：Advanced Materials, onlinelibrary.wiley.com/doi/10 … /adma.201500603/epdf

本文來(lái)源：Shibo Zou et al, Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite, Cell Reports Physical Science (2020). DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100240

來(lái)源：https://www.3ddayin.net/3Ddayinfangan/39771.html