交错结构仿生复合材料的抗冲击性能机理研究、微结构设计与实验验证

Biological materials with staggered microstructures show much higher impact performance compared with traditional composites. The knowledge of mechanisms for energy dissipation is strongly required for designing impact-resistant composites. In this project, we first analyze the dynamic and fracture behaviors of staggered composites, by expanding the dynamic shear-lag model and developing multiscale mechanical analysis approaches, to explore the energy dissipation processes during dynamic response and crack advance, respectively. Further, we construct the components-microstructure-performance relationship and propose new structural design strategies. With the assistance of 3D printing technology, we perform mechanical experiments, e.g. drop weight impact test, to validate the model. This project can reveal the influence on the impact resistance from the energy dissipation due to viscoelasticity and further unveil the mechanisms of the excellent impact protection of biological materials with staggered microstructure, therefore can promote the development of impact-resistant composites.

同传统复合材料相比，具有交错结构的生物复合材料在抗冲击性能方面展现出了巨大的优势。要设计性能优异的仿生抗冲击复合材料需要对其能量耗散机理进行深入的研究。本项目拟拓展动剪滞模型并发展多尺度力学建模方法，研究交错结构复合材料的动态力学和断裂力学行为，探索复合材料的粘弹性能量耗散以及裂纹扩展能量耗散机理。本项目在明确两种能量耗散机制的前提下，构建“组分-结构-抗冲击性能”三者之间的关系，提出新的仿生抗冲击复合材料的优化设计准则，利用3D打印技术和冲击落锤实验等实验手段验证理论模型的可靠性。本项目将创新性地揭示粘弹性能量耗散对交错结构复合材料抗冲击性能的影响，更加深入地揭示交错结构生物复合材料抗冲击的机理，对推动抗冲击复合材料的发展具有重要的科学意义。

交错结构仿生复合材料的出现为设计高性能抗冲击复合材料提供了新的思路。然而，由于交错结构的复杂性，其能量耗散机制尚不完全清楚。本项目围绕着交错结构复合材料的动态力学行为与断裂力学行为展开，揭示其能量耗散机理，构建“组分-结构-性能”三者之间的定量关联。借助于动剪滞模型，本项目系统地探索了交错结构复合材料中应力波传播的特点，分析了基体中的粘弹性能量耗散，准确建立了纤维增强复合材料抗冲击性能的预测模型，并研究了增强相几何所带来的影响。另一方面，本项目发展了新型多尺度断裂力学理论框架，建立了交错结构复合材料的严格断裂力学模型，准确计算了裂尖渐近场并预测了裂纹扩展阻力曲线。借助于3D打印实验与力学测试平台，本项目实验验证了理论分析的结论，并通过交错结构梯度设计显著提升了复合材料的强韧化特性。项目的研究成果揭示了粘弹性能量耗散对复合材料抗冲击性能的重要作用，有助于深刻理解交错结构复合材料的增韧机理，推动先进抗冲击复合材料的设计。在项目执行期间，共发表高水平SCI论文6篇，参加学术会议1次。