隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，對抗沖擊和高吸能性能的需求在各個領域愈發(fā)迫切，包括航空航天、軍事防護、運動裝備和交通安全等。近年來，科學家們通過仿生學原理，從自然界中尋找靈感，開發(fā)出了一系列高性能復合材料。本文將介紹如何通過仿生制造技術，開發(fā)出具有卓越抗沖擊和高吸能特性的復合材料。

自然界中的靈感

在自然界中，許多生物的結構經(jīng)過長時間的演化，形成了天然的防護機制。例如，動物的角和蹄經(jīng)過數(shù)千萬年的演化，形成了高效的能量吸收結構。華中科技大學材料科學與工程學院的研究團隊與哈爾濱工業(yè)大學（深圳）理學院以及加州大學伯克利分校的教授們合作，從微觀結構和力學的角度揭示了角質細胞管-層狀吸能結構在角和蹄組織中的普遍性。這些生物組織在低速壓縮和高速沖擊載荷下，不僅能夠吸收大量能量，還能保持較高的剛度和強度。

仿生設計原理

基于這些自然界的發(fā)現(xiàn)，研究團隊通過原位同步輻射微觀斷層掃描技術和掃描電子顯微鏡，詳細觀察了角質細胞層在壓力下的變形行為。他們發(fā)現(xiàn)，微觀裂紋在細胞層間的擴展是主要的能量吸收機制之一。不同的角質細胞排布方式直接影響了微裂紋的擴展路徑，進而決定了最終的吸能效果。研究團隊進一步通過斷裂力學模型，揭示了角組織更適合大載荷高能量，而蹄組織則在頻繁的小能量沖擊下表現(xiàn)出更為優(yōu)異的防護性能。

仿生制造技術

利用這些發(fā)現(xiàn)，研究團隊采用多材料3D打印技術，成功仿生制造出具有類似角質細胞管-層狀微結構的復合材料。這些復合材料在低速壓縮和高速沖擊試驗中展現(xiàn)出了類似的微裂紋擴展機制，進一步驗證了生物組織的吸能原理。與傳統(tǒng)的多孔吸能結構設計（如蜂窩結構）相比，這些仿生復合材料不僅保持了較高的剛度和強度，還展現(xiàn)出更優(yōu)異的抗沖擊和能量吸收性能。

應用前景

這種仿生復合材料具有廣闊的應用前景。在航空航天領域，它們可以用于制造更輕便、更安全的頭盔和裝甲；在軍事領域，這些材料可以顯著提高防護裝備的效能；在運動裝備中，它們可以用于制造更加耐用的護具；在交通安全領域，這些復合材料可以用于車輛的碰撞保護結構，減少事故中的傷害。

其他仿生材料

除了基于角和蹄組織的仿生復合材料，科學家們還從其他生物結構中獲取靈感。例如，雀尾螳螂蝦的錘狀指附足具有出色的抗沖擊性能。研究人員通過逆向工程技術和3D打印技術，設計并制造出具有類似幾何形態(tài)的輕質仿生抗沖擊材料。這種材料不僅具有優(yōu)異的抗沖擊性能，其曲面型結構還增加了材料的應用范圍。

此外，上海交通大學材料科學與工程學院的研究團隊通過將柔性的可編程自然纖維與穩(wěn)定的石墨烯超結構相結合，開發(fā)出一種新型兼具低沖擊應力與高機械吸能的超軟抗沖擊超材料。這種材料在航空航天、國防等高端應用領域具有巨大的潛力。

仿生制造技術為開發(fā)抗沖擊高吸能復合材料提供了一種新的思路。通過模仿自然界的生物結構，科學家們可以設計出具有卓越性能的新型材料，滿足各個領域對高性能防護材料的需求。隨著技術的不斷進步，未來我們有望看到更多基于仿生原理的創(chuàng)新材料在實際應用中的廣泛使用。