来源：江苏激光联盟
据悉，许多安全关键的工程系统需要具有高冲击吸收的透明材料。现有的透明韧性复合材料具有更高的抗冲击性，但由于冲击吸收能力差，经常会发生灾难性的失效。来自蒙特利尔工学院的一个团队2020年10月28日在《 Cell Reports Physical Science》上提出了一种使用3D打印技术制造透明的冲击吸收复合材料，该复合材料再现了蜘蛛丝中涉及牺牲键和隐藏长度的增韧机制，可吸收多达95.6％的冲击能量，而且不会断裂。这一创新，为创造牢不可破的塑料外壳铺平了道路。
Graphical Abstract图形摘要
自然界的美丽景象经常令人惊叹，鼓舞着我们获取灵感。从自然界获取的灵感会促使人们利用新近发展的增材制造技术将其付诸实践。来自自然的美丽景象，尤其是自然界巧夺天工的结构，不仅仅指自然界的结构具有完美的曲线和独特的有机体结构，而且还指其具有独一无二的功能和性能，甚至是多功能的性能。在大约超过38亿年的进化过程中，自然界的生物已经经过物竞天择的过程而形成了独特的功能性结构，这一结构要么由有机体本身所决定的，要么由外部环境所决定的。向大自然的这一结构学习，可以优化提升工程中的实际应用效果，甚至可以帮助我们解决实际工程中遇到的问题，而且这还是一个可持续发展的解决办法。
蜘蛛网是由它们的编织者进化而来的，用来耗散捕获猎物时产生的巨大动能。与肌腱等其他坚韧的生物材料只有10%的吸收能量消散，90%作为弹性能量储存在材料中不同，蜘蛛网吸收的能量有高达70%消散在系统之外。蜘蛛网主要通过分子键的断裂、熵的增加以及径向线的内部发热来消散能量。因此，在卸载时释放的弹性能被最小化，以避免昆虫在撞击后被摆动的网弹射出去。径向线中的能量耗散归因于丝原纤维纳米结构，该结构由β片状纳米晶体和半非晶域组成（图1A）。拉伸后，半非晶域中氢键的断裂和蛋白链的解开有助于较大的扩展性和高能量耗散。这就是所谓的牺牲键和隐藏长度(sacrificial bonds and hidden lengths, SBHL)机理。这种耗能机理的变化形式已经成功地应用于水凝胶和弹性体，从而导致高达85％的高滞后性。研究人员试图在微观尺度上扩大这种分子水平的机制，以制造出可以吸收大量能量并像蜘蛛网一样捕获弹丸的新型冲击吸收结构复合材料(图1B)。
↓↓↓图1. 受蜘蛛网启发的透明减震复合材料的设计↓↓↓ ▲图1a. 蜘蛛网捕捉飞行猎物的示意图。蜘蛛网的高能量耗散是由丝状原纤维纳米结构中的β片状纳米晶体和半非晶域引起的。后者包含具有链内和链间氢键的高度可扩展的蛋白质链。在张力作用下，半非晶域内氢键的断裂解开了蛋白质链的隐藏部分，从而增加了蜘蛛丝的可延展性和韧性。
▲图1b. 受蜘蛛网启发的，透明的、吸收冲击的复合材料，经过五次反复的冲击后，能捕捉到自由落体的棒球。棒球的重量为0.5千克，并从落镖冲击试验机上从0.66米的高度掉落。冲击前后复合材料的图像显示出牺牲键的断裂和隐藏长度的展开，再现了蜘蛛丝的耗能机理。
受到蜘蛛网的启发，蒙特利尔工学院的Frédérick Gosselin教授、Daniel Therriault教授以及博士生Shibo Zou希望展示如何将塑料织带结合到玻璃板中以防止撞击时破碎。
通过3D打印进行仿生
研究人员使用聚碳酸酯来达到目的。加热时，聚碳酸酯像蜂蜜一样变得粘稠。Gosselin教授的团队使用3D打印机利用此特性来“编织”一系列厚度小于2毫米的纤维，然后通过垂直打印一系列新的纤维来快速重复该过程，然后快速移动，直到整个纤网固化为止。
当3D打印机将其缓慢挤出以形成纤维时，熔融的塑料会形成最终形成圆圈，最终形成一系列的环。研究人员Gosselin解释说：“一旦变硬，这些环就会变成牺牲连接，从而赋予纤维额外的强度。当发生撞击时，这些牺牲连接会吸收能量并破坏以维持纤维的整体完整性，类似于丝绸蛋白。”
▲复合材料制造工艺示意图。由微结构聚碳酸酯纤维组成的双层织物由IFFF公司制造，然后在内部尺寸为100 × 100 × 1.5毫米(长×宽×厚)的模具中用透明弹性体渗透。使用两种具有不同折射率值(589纳米时为1.41和1.55)的透明弹性体来制造复合材料。
在2015年发表的一篇文章中，Gosselin教授的团队演示了这些纤维制造背后的原理（如下图）。
该研究的主要作者Shibo Zou借此机会举例说明了这种网在防护屏内部时的行为。在将一系列纤维网嵌入透明树脂板后，他进行了冲击试验。结果如何？塑料晶片可分散高达95.6％的冲击能量而不会破裂。它们不会破裂，而是在某些地方变形，从而保持了晶圆的整体完整性。
▲(G–J). (G)弹性体薄膜、(H)直纤维复合膜、(I)交替纤维复合膜和(J)混合纤维复合膜在初始接触后六个不同瞬间的冲击试验的高速照相机快照(t= 0 ms)。因为刚度在四个不同的试样之间是不同的，所以在同一瞬间，飞镖出现在四个试样的不同位置。位移d定义为首次接触后省道的垂直位移，标记在每个样品的每个快照上。在相同的冲击能量(5 J)下，冲击器穿透弹性体膜和直纤维复合膜。交替纤维复合膜和混杂纤维复合膜通过吸收大量能量来捕获冲击器。弹性能量的释放使飞镖弹回并产生(B)所示的卸载曲线。(K–N)冲击试验后断裂的(K)弹性体膜、(L)直纤维复合膜、(M)交替纤维复合膜和(N)混杂纤维复合膜的光学图像。插图中的比例尺代表10毫米。
根据Gosselin教授的说法，这种受自然启发的创新可能导致制造出新型的防弹玻璃，或者导致生产出更加耐用的塑料保护型智能手机屏幕。戈塞林教授指出：“它也可以在航空航天中用作飞机发动机的保护涂层。”同时，他当然打算探索这种方法可能为他打开的可能性。
参考文献：Advanced Materials, onlinelibrary.wiley.com/doi/10 … /adma.201500603/epdf
本文来源：Shibo Zou et al, Spiderweb-Inspired, Transparent, Impact-Absorbing Composite, Cell Reports Physical Science (2020). DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100240
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