仿生预应力多层(TiB2 -TiB)/Ti复合防护材料的结构设计与抗冲击性能研究

《Journal of Materiomics》：Biomimetic multi-layered protective materials with prestress and a periodic laminated structure

针对陶瓷材料韧性不足的瓶颈问题，研究人员受贝壳珍珠层启发，采用放电等离子烧结(SPS)技术制备具有周期性层状结构的仿生预应力(TiB2 -TiB)/Ti复合材料。通过X射线应力分析和弹道冲击实验证实，预应力约束使材料穿透深度降低35%，残余动能减少42%，为轻量化抗冲击防护材料设计提供了新范式。

　　

在防护材料领域，陶瓷材料虽然具有高硬度、高模量的优势，但其固有的低韧性成为制约应用的阿喀琉斯之踵。传统金属防护材料又因高密度难以满足现代装备轻量化需求，这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境亟待突破。自然界中，贝壳珍珠层通过精巧的"砖-泥"结构实现了脆性碳酸钙与有机质的高效协同，启示人们通过仿生设计可能破解这一难题。

武汉理工大学的研究团队在《Journal of Materiomics》发表的研究中，创新性地将贝壳结构仿生学与预应力技术相结合。他们选择TiB₂
-TiB陶瓷体系与金属Ti交替层叠，利用两者热膨胀系数差异（Ti为8.6×10^-6
/K，TiB₂
为4.6×10^-6
/K），通过放电等离子烧结(SPS)在1450°C/30MPa条件下构建周期性层状结构，并引入钛合金环约束产生预应力场。

关键技术包括：1) 采用SPS实现陶瓷/金属界面原子级扩散结合；2) X射线衍射法测定残余应力分布；3) 基于MIL-A-46100标准的弹道冲击测试；4) 结合JH-2和Johnson-Cook本构模型的有限元仿真。

【样品表征】XRD显示陶瓷层含TiB₂
(101)和TiB(002)相，EPMA证实界面元素呈梯度分布。扫描电镜显示无裂纹的致密结构，陶瓷层维氏硬度达22.5GPa，钛层晶粒呈层状生长。

【残余应力测量】通过sin²
ψ法测得陶瓷层存在-327MPa压应力，钛环受316.3MPa拉应力，这种预应力分布能有效抑制裂纹扩展。

【冲击测试】与无预应力样品相比，预应力材料碎片尺寸减小60%，铝背板侵彻深度从28mm降至18mm，验证了"破碎耗能"增强机制。

【数值模拟】Abaqus仿真显示：预应力使陶瓷层应力集中系数提高1.8倍，弹体残余速度从540m/s降至320m/s，动能吸收效率提升76%。

该研究开创性地将生物结构仿生与预应力工程相结合，提出的"多尺度层状结构+预应力场"协同设计策略，使材料同时实现2.45g/cm³
的低密度和8.9kJ/m²
的高断裂功。这种仿生预应力结构为新一代轻量化防护装甲提供了可扩展的设计模板，其层间应力调控方法也可应用于骨科植入物等生物医学领域。研究揭示的"界面梯度-预应力-能量耗散"耦合机制，为多功能复合材料设计建立了新的理论基础。