仿生双相Bouligand介观结构：兼具协同增强的强度与韧性

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Biomimetic dual-phase Bouligand meso-structure with synergistic strength and toughness

生物仿生双相Bouligand介观结构通过整合多层耦合、应力传递与裂纹调控机制，实现强度与韧性的协同提升，杨氏模量提高636.16%，比能吸收增强258.54%，最大弯曲应变提高73.68%，为冲击防护材料设计提供新策略。

　　在材料科学领域，强度与韧性之间的平衡一直是一个备受关注的课题。强度通常指的是材料在承受外力时抵抗变形或破坏的能力，而韧性则是指材料在断裂前吸收能量的能力。这两项性能在许多结构材料中往往是相互矛盾的，提高强度往往会牺牲韧性，反之亦然。然而，这种平衡对于大多数工程应用来说至关重要，因为结构材料需要在承受高强度载荷的同时，具备足够的韧性以防止突然断裂带来的安全隐患。因此，如何在材料设计中实现强度与韧性的协同提升，成为了一个亟待解决的问题。

本研究提出了一种创新的材料设计策略，即通过将双相设计方法与仿生Bouligand宏观结构相结合，构建一种具有优异强度与韧性的新型结构材料。Bouligand结构是一种广泛存在于自然界中的复杂层状结构，常见于贝壳、龟甲等生物体中，因其独特的力学特性而备受关注。这种结构通过多层交错排列，能够在受到外力时有效地分散应力，从而提高材料的抗冲击能力。而双相设计则指的是通过结合两种具有不同性能特性的材料，如硬质与软质材料，来实现整体性能的优化。这种策略能够利用两种材料之间的协同效应，使材料在承受不同类型的载荷时表现出更佳的适应性。

本研究的创新之处在于，将双相设计与Bouligand结构相结合，创造出一种具有多重能量耗散机制的新型结构材料。这种材料不仅继承了Bouligand结构在抗冲击方面的优势，还通过双相设计引入了额外的性能调控能力。通过实验与数值模拟相结合的方式，研究团队系统地评估了该材料在准静态和动态压缩、三点弯曲测试以及循环载荷测试中的表现。结果显示，这种新型材料在强度和韧性方面均表现出显著提升，其杨氏模量较基于热塑性聚氨酯（TPU）的单相Bouligand结构提高了636.16%，而单位体积能量吸收能力（specific energy absorption, SEA）则提升了258.54%。此外，其最大弯曲应变比基于聚乳酸（PLA）的样品高出73.68%。这些数据表明，该材料在实际应用中具有极大的潜力。

为了实现这一设计目标，研究团队采用了熔融沉积制造（Fused Filament Fabrication, FFF）技术，将聚乳酸（PLA）和热塑性聚氨酯（TPU）作为两种主要材料，分别用于构建硬质与软质相。通过精确控制材料比例和层间角度，研究人员成功地构建出具有复杂层状结构的样品，并在实验中验证了其优异的力学性能。实验结果表明，该材料在受到压缩载荷时，能够通过层间耦合和有效应力传递机制，显著提高其承载能力。同时，在三点弯曲测试中，该材料表现出良好的延展性和能量吸收能力，能够在断裂前承受较大的变形。这些特性使得该材料在人员冲击防护等安全相关应用中具有广阔的前景。

在实际应用方面，研究团队通过两个具体案例展示了该材料在人员冲击防护领域的潜力。例如，该材料可以用于跳绳运动中的护腕装置，通过其优异的抗冲击性能有效保护运动员的手腕免受伤害。此外，该材料还适用于其他需要高强度与韧性结合的防护装备，如防弹衣、头盔等。这些应用案例不仅验证了该材料在实际场景中的可行性，也为未来相关材料的开发提供了新的思路。

本研究的意义在于，它为解决材料强度与韧性之间的矛盾提供了一种新的设计策略。传统的单相材料往往难以在两者之间取得平衡，而通过仿生设计与双相策略的结合，研究人员成功地创造了一种能够同时满足高强度与高韧性的新型结构材料。这种材料不仅在实验室条件下表现出优异的性能，还具备良好的加工性和可设计性，能够适应不同的制造需求。此外，该材料的多重能量耗散机制，如层间耦合、有效应力传递、扭转裂纹传播、界面能量耗散以及裂纹路径引导，使得其在复杂载荷条件下能够保持稳定的力学性能。

值得注意的是，虽然当前的仿生Bouligand结构主要关注单一材料的性能优化，但本研究通过引入双相设计，使得材料能够在保持原有结构优势的同时，进一步提升其综合性能。这一设计策略不仅拓展了Bouligand结构的应用范围，还为未来多功能、高性能材料的开发提供了新的方向。此外，该研究还通过实验与模拟相结合的方式，系统地分析了不同参数对材料性能的影响，为后续的材料优化提供了理论依据和实验支持。

综上所述，本研究提出了一种创新的材料设计策略，通过将双相设计方法与仿生Bouligand结构相结合，成功地实现了材料强度与韧性的协同提升。实验与模拟结果表明，该材料在多种力学测试中表现出优异的性能，其杨氏模量、单位体积能量吸收能力以及最大弯曲应变均显著优于传统单相结构材料。同时，该材料在人员冲击防护等实际应用中展现出良好的潜力，为未来高性能结构材料的开发提供了重要的参考价值。这一研究成果不仅推动了仿生材料设计领域的发展，也为解决材料性能优化问题提供了新的思路和方法。