达尔文在《物种起源》中提出了“物竞天择，适者生存”的自然选择理论。动物的角和蹄就是经过数千万年演化出的天然防护结构。为了研究这些生物组织微观结构在不同冲击载荷下的防护效果及能量吸收机制，华中科技大学材料科学与工程学院周华民和黄威教授课题组，与哈尔滨工业大学（深圳）理学院梁旭东教授，以及加州大学伯克利分校Robert Ritchie教授展开了合作，从微观结构与力学的角度，揭示了角质细胞管-层状吸能结构在角和蹄组织中的普遍性，并采用多材料3D打印技术，成功仿生制造出具有抗冲击和高能量吸收性能的复合材料。相关研究成果发表于2024年9月30日的Matter期刊，题为“Energy absorption strategy in biological and bioinspired tubular and lamellar structures”。论文第一作者为冯伯远、钟佳明和付韫辰；共同通讯作者为黄威、梁旭东、Robert Ritchie。
能量吸收和冲击防护是自然界生物材料及工程结构材料的核心性能。与传统的多孔吸能结构设计（如蜂窝结构）不同，自然界中的角与蹄，虽然组织致密，但却通过其特有的管-层状微观结构（图1），展现出极为优异的能量吸收性能。传统的多孔结构通过孔的坍塌和结构的破坏可以吸收大量的能量，起到很好的防护作用。然而大量孔隙的引入势必要降低整个结构的力学性能，如刚度和强度等。作者们发现，虽然自然界的角与蹄组织非常致密，但其克服了刚度强度与能量吸收之间的矛盾。在低速压缩和高速冲击载荷下，这种结构不仅能够吸收大量能量，还能保持较高的刚度和强度（图2）。
研究团队利用原位同步辐射微观断层扫描技术，观察了角质细胞层在压力下的变形行为。结合扫描电子显微镜，作者们发现，微观裂纹在细胞层间的扩展是主要的能量吸能机制之一。动物角和蹄组织的角质细胞不同的排布方式直接影响了微裂纹的扩展路径，进而决定了最终的吸能效果。作者们进一步通过断裂力学模型，揭示了角组织更适合大载荷高能量，而蹄组织则在频繁的小能量冲击下表现出更为优异的防护性能。这种差异正好对应了它们在自然界中的防护功能。有趣的是，当这些微裂纹在冲击下产生时，动物可以通过增加角和蹄中的水分含量来愈合裂纹。这意味着，这些生物组织不仅能够通过微裂纹扩展吸收能量，还能够在一定程度上修复损伤，从而继续使用，这也体现了大自然的奇妙之处。
图1：角和蹄组织中的角质细胞层及其排布。
图2：经典多孔结构与角以及蹄组织的应力应变曲线。
基于在生物角和蹄组织中发现的能量吸收机制，研究团队采用多材料3D打印技术，仿生制造出了类似角质细胞的管-层状微结构复合材料。通过选择不同的材料组合，成功制备出了仿角与蹄结构的高分子材料（图3）以及碳纤维复合材料（图4）。这些3D打印的材料在低速压缩和高速冲击试验中展现出了类似的微裂纹扩展机制，进一步验证了生物组织的吸能原理。与传统的蜂窝结构相比，3D打印的仿生高分子材料以及碳纤维复合材料结构展现了更优异的抗冲击和能量吸收性能，未来有望应用于头盔、装甲以及包装等防护结构与材料中。
图3：3D打印仿生结构的力学性能以及能量吸收机制。
图4：3D打印仿生碳纤维复合材料及其冲击损伤机制。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.09.006
编辑 | 余 荷
排版 | 王大雪
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