好看的韩国伦理电影 Applied Materials Today: 受喵星东谈主启发的高能耗多级网状结构仿生超复合材料

好看的韩国伦理电影传统的防弹衣、护膝等个东谈主着重材料是由金属、陶瓷、硬塑料等刚性材料制成的，具有坚忍、不生动和重荷等污点。而研制柔性化、轻量化的新式可一稔个东谈主着重材料已成为当前照看的热门。增稠流体，如聚硼硅氧烷，在低应变速度下阐发为粘性流体，但在高应变速度下阐发为弹性固体，具有典型的增稠特点。这种从低粘度到高粘度的可逆改造是通过动态共价键（如B-O键）的可逆缔合/解离经过达成的，并产生高能量损耗，使得聚硼硅氧烷具有优异的粘弹性和能量损耗特点。但由于穷乏永久性交联网罗和橡胶弹性，聚硼硅氧烷在室温下会跟着期间而渐渐流动好看的韩国伦理电影，变形后无外力协助无法恢规复状。而要充分运用聚硼硅氧烷增稠性和能量领受性能，需将其置于受限环境中酿成“硬包软”结构中。猫掌的多级卵白纤维网状结构与脂肪团簇的高度形变配合而使其具备超常的抗冲击和减震吸能性能，这类精粹的生物结构为柔性仿生着重材料的研制提供了新的想象念念路。

 

近日，浙江大学彭华新教练、秦起首照看员团队与英国布里斯托大学FabrizioScarpa教练团队合营初次在猫掌仿生多级网状结构复合材料过火高能耗应用方面获取了新进展。关于生计在复杂地形和森林地带并善于奔跳的猫科动物，已进化出对外界环境具有很强安妥性的缓冲机体，具有邃密的抗冲击性和睦冲才智。其中最为典型且为咱们熟谙的猫，其从高处陨落，不管当先姿势何如，它王人能运用自己的体魄均衡调节机能，最终颐养翻转过来，四脚着地，安心无恙，也因此被东谈主称为“不死猫”。这是因为猫的独揽长有一层厚厚的猫掌“肉垫”，在与大地起始冲击构兵时，肉垫软组织发生变形，在此经过中耗散能量，缓冲减震，对足部骨骼和其他肢体概况起到灵验的保护作用。如图1所示，猫掌具有显豁的三层生物组织结构：表皮组织，真皮组织和皮下组织，其中最厚最柔滑的皮下组织层是猫掌中最要紧的能量领受层。皮下组织含有浩荡的脂肪，而脂肪被坚固的胶原纤维和弹性纤维组成的三维网状结构分隔成好多大叶腔室，后者又被纤维小膜进一步分割成好多小叶。

 

图1  猫掌的多级网状生物结构及该种仿生复合材料的制备暗示图。

受此猫掌皮下组织的多级网状结构启发， 照看者采器具有邃密柔性和生物相容性的开孔聚氨酯（PU）泡沫看成一级网状骨架，并通过浸涂包覆氧化石墨烯/多壁碳纳米管（GO/MWCNTs）外壳层以增强骨架的整膂力学复旧作用；随后领受冷冻干燥手艺引入GO/MWCNTs次级网状结构，此结构将一级网状骨架结构内的大腔室通谈分割成次级小腔室；临了，中式类脂团聚物聚硼硅氧烷（PBDMS）为填充基体，经过自动冷流统统灌充总计复合泡沫，待稀释剂酒精蒸发除尽后，最终告捷制备了高阻尼高能耗的猫掌仿生超复合材料（如图2）。照看者探索了该仿生复合材料在柔性着重、减震、缓冲等方面的应用，并运用有限元模拟磋商了基于该多级网状结构下的微不雅耗能机理。

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图2  猫掌仿生多级网状结构复合材料在不同制备门径下的微不雅描述。

动物脚掌和东谈主体足跟部等联系照看标明，为了安妥不同复杂通顺，脚掌肉垫应具备以下几点特点：（1）具有一定的柔性以减缓冲击，（2）具有一定的刚度以传递大地复旧力，（3）具有一定的阻尼以耗散能量，（4）具有一定的弹性以恢规复样。因此在复合材料想象经过中，照看者通过对PU泡沫主网状骨架名义进行了GO/MWCNTs搀杂物的涂覆增强。如图3所示，由于进行了主网状骨架PU的灵验增强，该网罗骨架看成厚实的力学复旧能使最终的仿生复合材料具有很好的抗蠕变性、保压性、回弹性及强度等综协力学性能。

 

图3 猫掌仿生多级网状结构复合材料的力学性能。

照看者对仿生复合材料进行了准静态轮回压缩和动态载荷下的联系玄虚性能分析，发现静态和动态能耗性能王人得到了大幅升迁，特地是动态载荷下的减震隔振性能相较于聚硼硅氧烷基体升迁了近160%（图4），冲击缓冲性能升迁了近40%，冲击能领受率更是高达100%（图5）。该仿生复合材料对高处解放落体鸡蛋具有显豁的保护效果，更为直不雅地讲明了所制备的多级网状结构仿生超复合材料具有优异的冲击吸能和隔振性能，可看成着重材料而应用于本体中。

 

图4  猫掌仿生多级网状结构复合材料的隔振减振性能。

 

图5  猫掌仿生多级网状结构复合材料的冲击吸能性能。

为了更深远地意会多级网状结构仿生超复合材料在微不雅结构层面的能量耗散机制，照看者运用ANSYS 软件确立了基于代表性体积元（RVE）建模治安和周期边界条目的有限元模子（图6）。模子重心照看了多级网状结构（即引入次级网状结构）对复合材料整膂力学性能和能量损耗机制的影响。蓄意狂放标明当复合材料受压缩载荷时，应力主要集会踱步于一级主网状结构骨架上，而应变和能量密度则主要出当前聚硼硅氧烷基体区域。这是因为网状主骨架（“硬”相）的弹性模量大于聚硼硅氧烷柔性基体（“软”相）。在这种模量配比下，网状主骨架承载了主要的外加压缩载荷，而其间填充的基体相对应地承担了主要的外加变形，并阐发为高弹性应变能密集区。其中每一个结构单位可视为一个“硬包软”的小型静液压系统，当受到外力作用时，网罗结构紧密或疏松进度的涨落，带动腔内的柔性聚硼硅氧烷束缚形变与回复，进而产生能量耗散性能（可逆动态高能 B-O 共价交联键）。次级网状结构的引入，使得“硬包软”的结构单位被进一步细分，进而使得多级网状结构仿生复合材料产生更为剧烈的局部应变过火更高效的能量损耗性能，升迁量高达65%。

 

图6  有限元模子压缩载荷下的蓄意狂放及能量损耗机理暗示图。

这些照看效果加深了咱们关于猫掌抗冲击减震性能的生物微结构形变耗能机制的意会，特地是引入的次级网状结构，对仿生复合材料力学性能和阻尼耗能性能起着的至关要紧孝顺作用。同期也为借助多级网状 “硬包软”结构为研制强韧一体化、高阻尼耗能复合材料提供了一种新的想象念念路。

联系效果以“HierarchicalNetwork Structural Composites for Extraordinary Energy Dissipation Inspired bythe Cat Paw”为题发表在Applied Materials Today上。本责任第一作家为博士生卢文江（当前在清华大学深圳海外照看生院开展博士后责任），英国布里斯托大学博士后张开赴为共团结作。秦起首照看员和彭华新教练为本文的共同通信作家，合营作家还包括博士生陈骞、许鹏博士、王欢博士和布里斯托大学FabrizioScarpa教练。

 

原文开通：

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101222