仿生双相结构的高应变率抗性与隔热性能：设计、制备及性能表征

为解决军用车辆防护结构需兼具高应变率抗性与隔热性的问题，研究人员受生物结构启发，设计 3 种双相结构，经 3D 打印与酚醛树脂浸渍制备。SHPB 等实验表明 G-TPMS 结构综合性能最优，为多功能防护结构设计提供新思路。

　　在现代战争的硝烟与火光中，军用车辆时刻面临着爆炸冲击、弹片穿击和极端高温的多重威胁。如何为这些钢铁堡垒打造一副既能抵御高速冲击，又能隔绝爆炸火焰高温的 “铠甲”，成为了材料科学与工程领域的关键挑战。传统防护结构往往顾此失彼，要么在高速冲击下支离破碎，要么在烈火中成为导热通道，难以同时满足军事场景对 “刚” 与 “柔” 的双重需求。在此背景下，向自然界寻求灵感成为了破局的关键 —— 那些历经亿万年进化的生物结构，如甲虫前翅的多孔管型、鲍鱼壳的砖墙状珍珠层、海胆刺的连续多孔表面，早已展现出轻质、高强与隔热的完美平衡。

为了攻克这一技术难题，研究人员开展了 “集成仿生双相结构的高应变率抗性与隔热性能” 研究。通过模拟自然界中生物的独特结构，设计出三种新型双相结构，并借助先进的制造工艺与测试手段，揭开了生物启发式防护结构的性能奥秘。这项研究成果发表在《Engineering Science and Technology, an International Journal》，为军用防护领域带来了新的曙光。

研究由 [作者单位信息未明确，原文未提及具体机构] 的研究人员主导，他们以生物仿生为核心思路，通过多学科交叉的研究方法，成功构建了兼具力学抗性与热防护能力的新型结构体系。

研究关键技术方法

1. 3D 打印技术：采用选择性激光熔融（SLM）技术，以 316L 不锈钢为材料打印出三种仿生结构框架（BRM、BBW、G-TPMS），精准复现生物结构的复杂几何特征。
2. 溶液浸渍与热固化工艺：将酚醛树脂通过溶液浸渍填充至 3D 打印框架中，经阶梯式升温固化（室温→80℃→120℃→150℃），形成双相结构。
3. 动态力学测试：利用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统，以 10m/s 冲击速度进行高应变率压缩测试，同步通过高速摄像机记录变形过程。
4. 热性能表征：通过热板测试（200℃）和丁烷火炬燃烧测试（180s），结合红外热像仪分析结构的隔热性能与热传导特性。
5. 有限元模拟：运用 ABAQUS 软件建立 3D 模型，分析结构的动态应力分布与热传导机制，验证实验结果并揭示内在机理。

研究结果

4.1 SHPB 测试的力学性能

• 动态应力平衡验证：通过应变波信号分析，三种结构的入射应变（ε_I）、反射应变（ε_R）与透射应变（ε_T）曲线吻合度高（偏差＜2.5%），证明实验条件下应力分布均匀，数据可靠。
• 变形过程与损伤分析：高速成像显示，BRM 和 G-TPMS 结构仅出现局部树脂飞溅，框架保持完整；BBW 结构则发生显著树脂碎裂与钢框架屈曲。μ-CT 扫描表明，三种结构孔隙率主要源于制造缺陷（0.2-0.4%），未影响整体强度。
• 质量损失与力学参数：BRM 结构质量损失最低（平均 1.488%），动态模量与强度最高；BBW 结构质量损失最高（平均 10.282%），力学性能最差；G-TPMS 结构表现介于两者之间。

4.2 变形机制分析

• 有限元模拟验证：采用 Johnson-Cook 本构模型模拟动态加载过程，结果显示 BRM 结构因螺旋嵌套设计实现弹性变形，能量通过分层弯曲耗散；BBW 结构因砖状单元界面分离导致塑性变形；G-TPMS 结构通过连续曲面均匀分布应力，减少局部失效。

4.3 隔热性能

• 热板测试：BBW 结构在 360s 时顶面温度仅 35.7℃，热导率最低（0.35 W/(m?K)），隔热性能最佳；BRM 与 G-TPMS 结构顶面温度分别达 39.1℃和 42.9℃，热传导较快。
• 丁烷火炬测试：三种结构背面温度均＜30℃，BBW 结构表面无明显损伤，展现出优异的耐火完整性；BRM 与 G-TPMS 结构虽未被击穿，但热扩散速率高于 BBW。

4.4 综合性能对比

雷达图显示，BRM 结构力学性能领先但隔热性最差，BBW 结构隔热性最优但力学性能不足，G-TPMS 结构在高应变率抗性（模量 120 GPa、强度 850 MPa）与隔热性（热导率 0.42 W/(m?K)）间取得平衡，综合性能最佳。

研究结论与意义

本研究通过仿生设计与多材料集成，成功开发出兼具高应变率抗性与隔热性能的双相结构体系。实验与模拟结果表明，生物启发的结构拓扑（如螺旋嵌套、砖墙分层、连续多孔表面）可有效调控材料的动态力学行为与热传导路径。其中，G-TPMS 结构凭借其三重周期最小曲面的几何优势，实现了力学性能与热防护的协同优化，为下一代军用车辆防护装甲的设计提供了关键技术原型。

这项工作不仅拓展了仿生材料在极端环境下的应用边界，更揭示了生物结构 - 性能 - 功能的跨尺度映射规律，为解决航空航天、核能防护等领域的多功能材料设计难题提供了普适性方法论。未来，通过进一步优化材料组合（如引入纳米增强树脂）与结构参数（如孔隙率调控），有望开发出更轻质、更强韧、更高效的智能防护系统，在守护生命安全的同时，推动仿生工程向更高维度发展。