【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】塊體玻璃能夠在透光的同時分隔內(nèi)外部環(huán)境，是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹匾Y(jié)構(gòu)材料。然而，玻璃的隔熱性能較差，并且在沖擊作用下容易發(fā)生災(zāi)難性破碎，抗沖擊耗能有限。在外部溫度變化和碎片撞擊情況下，玻璃往往成為建筑物、交通工具以及電子設(shè)備中最薄弱的組件。
 

　　近日，中國科大倪勇教授、何陵輝教授研究團隊結(jié)合仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)和剪切變硬智能材料，提出了一種綜合應(yīng)用性能提升的仿生復(fù)合玻璃材料。這種復(fù)合玻璃材料在保持透明度的同時，還表現(xiàn)出不俗的隔熱性能和抗沖擊性能。相關(guān)研究成果以“Simultaneous Enhancement of Thermal Insulation and Impact Resistance in Transparent Bulk Composites”為題發(fā)表于國際期刊《Advanced Materials》。
 

　　自然貝殼中的珍珠層在準靜態(tài)或低速沖擊加載下，能夠通過磚塊滑動機制耗散能量。然而隨著沖擊速度的增大，仿貝殼結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能提升有限(圖1a)。相反，剪切變硬材料在沖擊加載下會顯示出應(yīng)變率相關(guān)的增強效應(yīng)，能夠在高速沖擊下耗散大量沖擊動能(圖1b)。在深入理解仿貝殼結(jié)構(gòu)與剪切變硬材料的率相關(guān)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，研究團隊構(gòu)建了仿生復(fù)合玻璃材料。該材料結(jié)合了仿貝殼結(jié)構(gòu)的低速抗沖擊性能優(yōu)勢與剪切變硬材料的應(yīng)變率強化性能優(yōu)勢，力學(xué)仿真分析發(fā)現(xiàn)仿貝殼結(jié)構(gòu)面板的離域化變形可以進一步促進剪切變硬夾芯層的大范圍損傷耗能。仿貝殼結(jié)構(gòu)與剪切變硬材料的協(xié)同耗能作用，顯示出1+1>2的效應(yīng)，使復(fù)合玻璃在更大范圍的沖擊速度下呈現(xiàn)出更好的抗沖擊性能(圖2)。
 

　　此外，仿生復(fù)合玻璃還顯示出良好的隔熱性能。仿貝殼結(jié)構(gòu)面板通過特殊的磚塊-灰泥排布結(jié)構(gòu)降低面外熱傳導(dǎo)，與低熱導(dǎo)率的剪切變硬材料共同作用，提高了仿生復(fù)合玻璃的隔熱性能。與目前廣泛使用的塊體玻璃、夾層玻璃和中空玻璃相比，仿生復(fù)合玻璃在透明、輕質(zhì)、抗沖擊、隔熱等綜合應(yīng)用性能上顯示出優(yōu)越性(圖1c)。
 

圖1 仿生復(fù)合玻璃的綜合應(yīng)用性能
 

圖2 仿生復(fù)合玻璃的力學(xué)機制分析
 

　　論文第一作者為我校工程科學(xué)學(xué)院博士后張瀟，通訊作者為工程科學(xué)學(xué)院吳開金特任副研究員、倪勇教授，共同作者包括工程科學(xué)學(xué)院龔興龍教授和博士生周建宇等。本研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)杰出青年基金項目以及中央高校基礎(chǔ)科研基金等項目的支持。
 

(工程科學(xué)學(xué)院、科研部)