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  無(wú)論對(duì)于航空航天飛行器還是船舶汽車，動(dòng)態(tài)載荷相比于靜態(tài)載荷出現(xiàn)得更為廣泛且危害更為嚴(yán)重。發(fā)展具有優(yōu)異沖擊防護(hù)性能的新型材料，對(duì)空間飛行器應(yīng)對(duì)碎片沖擊防護(hù)、防彈裝備在高速?gòu)椡铔_擊下對(duì)單兵的防護(hù)、車輛在爆炸或高速撞擊情況下對(duì)乘員的防護(hù)等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。近年來(lái)，研究人員正從自然界中一些具有優(yōu)異力學(xué)性能的生物復(fù)合材料的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)中得到靈感和啟發(fā)，建立復(fù)合材料的“組分-結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系。例如，之前有研究發(fā)現(xiàn)，一束鉛筆粗細(xì)的蛛絲完全能拉停一架飛行中的波音747飛機(jī)。

  近日，北京大學(xué)工學(xué)院韋小丁課題組在生物和仿生復(fù)合材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Acta Biomaterialia上發(fā)表了題為“Dynamic shear-lag model for understanding the role of matrix in energy dissipation in fiber-reinforced composites”的研究論文。與目前抗沖擊復(fù)合材料追求高剛度、高強(qiáng)度的連續(xù)纖維的設(shè)計(jì)思路不同，韋小丁課題組發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力波在連續(xù)纖維中傳播過(guò)程中會(huì)很快同步，從而導(dǎo)致基體材料不能有效參與沖擊能量耗散。而自然界中許多生物復(fù)合材料卻往往具有精巧設(shè)計(jì)的非連續(xù)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。該研究通過(guò)建立動(dòng)剪滯理論模型分析了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中粘彈性基體在復(fù)合材料抗沖擊性能中的重要作用，首次揭示了基體力學(xué)性質(zhì)以及微觀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊能量耗散過(guò)程中起到的重要作用，有助于理解生物復(fù)合材料如貝殼、蜘蛛絲、骨骼等具有優(yōu)異的抗沖擊性能的內(nèi)在機(jī)理。

圖1. 擁有經(jīng)過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料能夠極大的提高基體材料在沖擊能量耗散中的貢獻(xiàn)，從而優(yōu)化宏觀復(fù)合材料的抗沖擊性能。

  韋小丁研究員為該論文通訊作者，博士生劉俊杰為第一作者。此項(xiàng)研究得到了中組部“青年千人計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和北京大學(xué)工程科學(xué)與新興技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.04.031