供稿人:侯章浩，田小永 發(fā)布日期：2018-04-15
人的一生難免會(huì)受到來(lái)自外界的傷害，因此發(fā)明了防護(hù)器具（如頭盔和鎧甲），用于有效的吸收或消耗來(lái)自外界的沖擊能量，保護(hù)穿戴者的人身安全。在軍事上，防護(hù)器具更是十分重要。海螺殼被認(rèn)為是自然界韌性最好的鎧甲之一，比珍珠母的韌性還要強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。然而海螺殼的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的減材制造工藝很難制造出海螺殼式的交叉多層級(jí)結(jié)構(gòu)，因此限制了對(duì)其結(jié)構(gòu)機(jī)理的深入研究。然而隨著3D打印的出現(xiàn)與發(fā)展，為復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)研究提供了技術(shù)支撐。
不久前，麻省理工學(xué)院的研究人員利用3D打印工藝進(jìn)行了仿海螺殼材料的研究，對(duì)海螺殼耐沖擊的機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并將研究成果發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。
該論文根據(jù)海螺的多層級(jí)結(jié)構(gòu)特征，提出了一種三維仿海螺殼的原型（如圖1所示），并通過(guò)多材料3D打印機(jī)（Stratasys Connex 3）制造了出來(lái)，模型中紅色部分為柔性材料，綠色部分為脆性材料。
圖1 海螺的多層級(jí)結(jié)構(gòu)模型
研究人員通過(guò)落錘實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)裂紋的傳播進(jìn)行了系統(tǒng)分析，如圖2所示。研究結(jié)果表明：與單層級(jí)和純剛性成分的結(jié)構(gòu)相比，引入二級(jí)層級(jí)的“交叉鋪層”將結(jié)構(gòu)的沖擊性能分別提高了70%和85%。海螺殼主要是通過(guò)特有的多層級(jí)結(jié)構(gòu)使得裂縫在傳播過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而消耗裂紋傳播的能量，起到增韌的作用，這種機(jī)制可以被推廣到未來(lái)防護(hù)裝備，如裝甲、頭盔和防彈衣的設(shè)計(jì)。
圖2 裂紋的傳播