可调谐Bouligand结构碳纳米管薄膜的微弹道冲击动态行为研究：多尺度能量耗散机制与航天防护应用

为解决航天器超高速空间碎片防护难题，研究人员通过粗粒化分子动力学(CGMD)模拟系统研究了不同螺旋角(PA)的Bouligand结构碳纳米管薄膜(BCNTFs)在微弹道冲击下的动态响应。研究发现当结构参数η=D/d=15时，增大PA可通过限制CNT链滑动、增强拉伸耗能提升抗冲击性；而η=5时PA=45°因拉伸/滑动协同失效表现最差。该研究为设计新一代轻量化航天防护材料提供了理论依据，成果发表于《Nano Materials Science》。

　　

随着人类深空探索的加速，航天器面临微米级空间碎片以20 km/s超高速撞击的威胁。传统Whipple防护罩已难以满足轻量化与高防护的双重需求，而碳纳米管(CNT)因其1 TPa的弹性模量和100 GPa的强度成为理想候选材料。但无序CNT薄膜的能量耗散效率有限，科学家们从螳螂虾指节骨的Bouligand结构（螺旋排列的纤维结构）获得灵感，试图通过仿生设计提升材料性能。

中国的研究团队通过粗粒化分子动力学(CGMD)模拟，构建了螺旋角(PA)为0°、30°、45°、60°、90°的Bouligand结构CNT薄膜(BCNTFs)，系统研究了其在η=D/d=5/15（D为弹丸直径，d为CNT链间距）条件下的微弹道冲击响应。研究结合激光诱导微粒冲击实验(LIPIT)验证，揭示了多尺度能量耗散机制与结构参数的关联规律。

关键技术包括：1) 采用LAMMPS软件进行CGMD模拟，将(5,5)单壁CNT映射为等质量粗粒化珠子；2) 设计150 nm和50 nm两种尺寸模型对应η=15/5；3) 通过势能分解量化范德华力(ΔE_v
)、拉伸能(ΔE_t
)和弯曲能(ΔE_b
)贡献；4) 建立简化物理模型计算层间接触面积A_Total
。

【3.1 螺旋角对BCNTFs抗冲击性的影响】
当η=15时，SEM和模拟显示PA=90°的BCNTF比0°结构比吸能(SEA)提升75%（24.74 vs 14.16 MJ/kg）。PA增大使CNT链滑动受限，层间支撑面积从30°的67,577 nm²
增至90°的112,500 nm²
，拉伸能占比提升至60%以上。PA=0°因缺乏层间作用仅能通过单链断裂耗能。

【3.2 冲击速度的影响】
在v_i
=0.5 km/s时，PA≥45°的BCNTF可实现弹丸反弹；2 km/s时ΔE_kc
/ΔE_pc
≤1显示势能主导；但当v_i

2 km/s时动能耗散占比超80%，PA效应消失。PA=0°在8 km/s下SEA反升，因断裂模式从长链变为短链 beads（粗粒化珠子）。

【3.3 弹丸尺寸效应】
η=5时PA=45°出现SEA异常下降（比30°低20%），因其既不能像30°通过滑动激活更多CNT，也不具备60°的强拉伸支撑。宏观编织复合材料(η=+∞)则显示准各向同性结构通过纤维拉伸断裂实现最大变形区，与微观机制形成鲜明对比。

该研究首次阐明Bouligand结构在跨尺度冲击下的差异化响应机制：微观尺度需平衡滑动与拉伸的协同效应，而宏观尺度依赖各向同性扩展变形区。通过调控PA和η，可针对性优化CNT薄膜在航天防护（η=15）、柔性装甲（η=5）等场景的应用性能。研究不仅为仿生防护材料设计提供量化依据，更揭示了能量耗散机制从微观协同到宏观主导的转变临界点，对发展新一代空间碎片防护系统具有重要指导意义。