多材料、多层级仿生柔性防护结构的机理与制备研究

The multi-material, multi-leveled bio-inspired is a new kind of structure inspired by scales in Acipenser sinensis, which is lightweight, protective and flexible, and is badly in need for engineering application, such as armors for human beings, flexible electronics and adaptive morphing structures for aerospace vehicles.. From the preliminary studies of fish scale structure, the applicant and her team found the back and the body side of Acipenser sinensis have 5 lines of roof-like bony plate scales arrayed in overlying tile arrangement, which are almost covered by its epidermis and with superior toughness and protective properties. Mechanical properties test showed that the bony scales have an obvious advantage characteristic of anti-penetration and flexibility, which can effectively protect the body. In this work, inspired by the geometric topology of bony scales in Acipenser sinensis, we are to design a novel flexible light-weight structure to resistance impaction. Then, we will study its composition of materials and 3D printing specification, its optimization design method and anti-impaction evaluation methods. These will provide theoretical and technical support for the engineering application, and the study will be performed from 4 aspects: bionic inspiration - rational design - preparation technology - performance evaluation. Finally, the new lightweight protective structure material will be gained.

多材料、多层级仿生柔性防护结构是仿中华鲟鳞片的一种构形仿生结构，兼具轻质、防护和柔性变形能力等优良性能，是人体护甲、柔性电子产品和航空航天飞行器自适应变形结构的理想防护结构材料。. 申请人及其课题组在前期研究鱼类鳞片结构时，发现中华鲟的骨质化硬鳞结构特殊，形似屋脊，鳞片几乎被表皮层覆盖，整排鳞片成覆瓦状排列，力学性能测试结果表明其抗穿透性能优越，能够有效地起到保护身体作用，同时又具有足够的运动灵活性。为此，项目提出以中华鲟骨质化硬鳞的几何形态和组织拓扑为柔性防护结构构形设计的生物模板和优化起点，研究多种材料复合、多层级的轻质柔性防护结构的构形仿生，优化设计理论，测评方法及基于增材制造技术的多材料匹配原则和工艺规范，为工程应用提供理论和技术支撑。课题拟从仿生启示-理性设计-制备技术-性能测评等4个方面开展工作，最终获得新型防护结构材料。

随着科学技术地快速发展以及人们的安全意识越来越高，保护物体和人员免受冲击伤害已引起人们极大的重视。防护结构是生物结构中的重要组成部分，也是生物赖以生存的有力保障。为适应复杂的生存环境，许多生物都进化出了具有优异力学性能的生物防护结构。鱼鳞结构便是生物防护结构中的典型代表，这种结构不仅具有超轻、超薄的特征，还能抵御较强的咬合力。经过长期的进化和演变，中华鲟背部骨质鳞片以及体表的鱼皮结构为其提供了一个轻质高强且柔韧的高效防护体系，这种高度协调统一的生物模板为仿生学带来了启发，也为工程领域中柔性防护结构材料提供了很好的设计灵感。课题从中华鲟（人工饲养）背部骨质鳞片以及鱼皮的宏/微观结构形态研究入手，通过力学测试对其宏/微观力学特性进行分析，系统地研究了骨鳞和鱼皮结构是如何实现在保证有效防护性能的同时又能兼顾灵活性和柔韧性的功能。通过3D打印仿生结构、力学性能测试与分析初步揭示了鱼皮结构中螺旋纤维铺层的抗断裂机制，在此基础上采用改进的裂纹扩展路径理论分析模型对纤维铺层在柔性结构中的增韧机理进行了深入研究。进一步地，通过逆向工程技术设计出多种仿生骨鳞结构，建立多种铺排参数，并以中华鲟鱼皮为仿生模板，设计并制备出多种仿生多层级柔性复合结构，对其结构形态-力学-功能之间的关联特性进行深入分析，从而为多层级柔性防护结构设计提供重要理论支撑。