随着恐怖主义和国际冲突的增加，为了使结构在碰撞和冲击时的破坏最小化，碰撞保护已经成为一个不可或缺的工程研究课题。近年来，具有特殊力学性能的合成抗冲击材料（如钢、合金和陶瓷）已广泛应用于军事防护掩体、海军部队、车辆安全防护等多种工程领域。然而，传统抗冲击材料重量大、加工能耗高，一旦断裂，块体的宏观结构就会遭到灾难性的破坏，这严重限制了其广泛应用。仿生人造盔甲是一条克服脆性的有效途径。作为地球上最丰富、可再生和可持续的资源，木质纤维素既有初级键（共价键），也有次级键（氢键），一旦断裂，它们就可以重新形成。具有众多优良特性的木质纤维素已成为构建仿生人造盔甲的理想纳米尺度构件。

近日，浙江农林大学孙庆丰教授/华中科技大学李会巧教授课题组受巨骨舌鱼的鱼鳞结构的启发，提出了一种制备高性能木质纤维素基材料的策略，它可以作为一种具有优异抗损伤能力的木制盔甲。通过精确地组装刚性层压木质纤维素，加上柔软的剪切增厚流体夹层，形成Bouligand式结构，人造木制盔甲的抗冲击性提高了10倍，与典型的工程材料（如陶瓷、玻璃和合金）相似。但是，该材料结构具有阻挡子弹巨大冲击的能力，其密度约为典型工程材料的一半。木制盔甲的高耐久性和抗损伤性，有效地防止了受到撞击时的灾难性损伤。该材料可成为一种轻质、高性能和可持续的替代材料，可用于航空、太空探索、深海勘探、军事保护和其他涉及极端条件的工程领域的冲击保护中。相关工作以“Bioinspired Construction of Micronano Lignocellulose into an Impact Resistance “Wooden Armor” With Bouligand Structure”为题发表在《ACS Nano》上。

【木制盔甲的制备和形貌】

首先，制备得到微纳米木质纤维素-PVA悬浮液。然后，通过刷诱导组装获得排列整齐的木质纤维素膜。刷子保持悬浮液的能力及其独特的结构特性使木质纤维素保持与刷子毛平行。经聚硼硅氧烷（PBDMS）浸泡和10°旋转层压后，获得了具有PBDMS-木质纤维素双网络和Bouligand结构的人造木制盔甲。SEM图像显示，巨骨舌鱼的鳞片片层由平行的胶原纤维组成，且有微小的角度偏差。胶原纤维分层，胶原片层扭曲。纤维束在不同方向的严重断裂协调达到了抗裂极限。为了获得一种全面模仿该鳞片的Bouligand结构的人造木制盔甲，采用了两级装配策略。首先，制备具有预定义有序结构的木质纤维素-PVA薄膜。然后，在柔性层压下，最终的3D批量人造木制盔甲可以通过按预先设定的偏移角度进行连续涂刷和扭转，从而被轻松地制作出来。

图1 人造木制盔甲自下而上的装配策略

图2 人造木制盔甲的微观形貌

【动态力学性能】

在剪切频率为0.1 Hz下，人造木制盔甲表现出软塑性特性。从0.1 Hz增加到100 Hz时，表现出良好的剪切刚度性能和力学增强。人造木制盔甲的动态力学性能主要是与PBDMS和Bouligand结构有关。加入PBDMS后，具有Bouigand结构的木质纤维素基体最终穿刺力增加了约13倍，从119.1 N（纯木纤维体）增加到1570.7 N（人造木制盔甲）。人造木制盔甲的增强性能归因于多尺度层次的结构特征，其中剪切增厚软组分发挥了关键作用。由于软PBDMS和硬木质纤维素之间的协同界面相互作用被固定和约束在人造木制盔甲中，因此人造木制盔甲的力学响应比纯木材纤维块和硼硅酸盐玻璃更具有可重复性。Bouigand结构可以增加复杂变形的总耗能。

图3 人造木制盔甲的动态力学性能

【有限元模拟】

纯木纤维体的应力范围非常小，主要集中在穿孔中心附近，从而导致无序木纤维的整体结构破坏和随机裂纹扩展。在内部损伤上，裂缝数量较少，开裂程度也相对较小。变形的微观力学结果表明，人造木制盔甲的应力分布更加均匀，与micro-CT结果一致。与无序的纯木材纤维体相比，人造木制盔甲的扭曲传播路径中局部延伸的耦合效应使材料产生更大的应变，提高了材料在穿刺过程中的能量吸收能力。准静态穿刺下的力学行为表明，在应力过程中，形成了垂直裂缝，并在整个构造中发生了许多水平裂缝和层间裂缝。软PBDMS的界面脱粘行为防止了过度剪切变形和随后的小应变局部破坏。大量裂缝的形成和扩展导致扭曲的胶合板结构在整个过程中耗散大量的能量，从而增加了结构的延展性。模拟结果表明，层间破坏模式有三种：纤维剪切破坏、基体破坏和纤维解离破坏。

图4 木质纤维体的micro-CT和有限元模拟

图5 人造木制盔甲的有限元模拟

【抗冲击性能】

对于人造木制盔甲，软PBDMS粘弹性响应相关的应变硬化机制防止了过度剪切变形和随后的小应变局部破坏。此外，当人造木制盔甲受到高速撞击时，PBDMS中的B-O交联键网络结构不能跟上分子链运动的速度。因此，B-O交联键发生弛豫，阻止分子链在B-O交联键上移动。在这种情况下，分子链的快速堆积形成了对分子链运动的强大抵抗，从而阻止了木质纤维素的分离，更好地传递应力波。与普通中密度纤维板相比，在相同的弹道条件下，人造木制盔甲的有序等级结构最大限度地吸收了应变能，子弹只能将人造木制盔甲表面打凹陷，而没有完全穿孔。弹道能量吸收比为14.2±0.4 kJm-1cm3g-1，是中密度纤维板的3倍，这超过了大多数结构材料，包括钠钙玻璃和陶瓷/金属复合材料，并可与NVE 36钢相媲美。

图6 SiC纳米线气凝胶在热管理领域中的应用

【小结】

该研究制备了一种人造木制盔甲，实现了仿生扭曲胶合板结构和天然巨骨舌鱼鳞片的增韧机制。根据自然原理，在多个尺度上精确设计一维微纳米纤维的排列，使制备的人造木制盔甲的力学性能超过其基本成分和人造结构材料（如陶瓷、玻璃和合金）。最终得出如下结论：（1）该人造木制盔甲可以在20米的距离内抵抗214米/秒的子弹，比同类产品高~10倍，可与典型的工程材料相媲美。（2）人造木制盔甲的密度仅为钢的1/6，陶瓷和玻璃的1/2，比典型的防撞材料轻得多。宏观结构和氢键的重组导致了木制盔甲的断裂，而陶瓷和玻璃的失效是灾难性的。（3）这种人造木制盔甲再现了“Bouigand型结构”，这是天然鳞片冲击应力的吸收和扩散效应的关键。该结构设计策略为军事和航空应用的抗冲击装甲的轻质、可持续和环保材料设计提供了启发。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c10725

来源：高分子科学前沿

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