我國(guó)科學(xué)家研發(fā)仿生復(fù)合玻璃

塊體玻璃能夠在透光的同時(shí)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(guó)科大倪勇教授、何陵輝教授研究團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(guó)際期刊《Advanced Materials》。
 

 

自然貝殼中的珍珠層在準(zhǔn)靜態(tài)或低速?zèng)_擊加載下，能夠通過磚塊滑動(dòng)機(jī)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(huì)顯示出應(yīng)變率相關(guān)的增強(qiáng)效應(yīng)，能夠在高速?zèng)_擊下耗散大量沖擊動(dòng)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(tuán)隊(duì)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(shì)與剪切變硬材料的應(yīng)變率強(qiáng)化性能優(yōu)勢(shì)，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(jìn)一步促進(jìn)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(jī)制分析