塊體玻璃能夠在透光的同時分隔內外部環境，是人們日常生活中不可或缺的重要結構材料。然而，玻璃的隔熱性能較差，并且在沖擊作用下容易發生災難性破碎，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合仿貝殼珍珠層結構和剪切變硬智能材料，提出了一種綜合應用性能提升的仿生復合玻璃材料。這種復合玻璃材料在保持透明度的同時，還表現出不俗的隔熱性能和抗沖擊性能。相關研究成果以“Simultaneous Enhancement of Thermal Insulation and Impact Resistance in Transparent Bulk Composites”為題發表于國際期刊《Advanced Materials》。
自然貝殼中的珍珠層在準靜態或低速沖擊加載下，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，仿貝殼結構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變率相關的增強效應，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構與剪切變硬材料的率相關力學性能的基礎上，研究團隊構建了仿生復合玻璃材料。該材料結合了仿貝殼結構的低速抗沖擊性能優勢與剪切變硬材料的應變率強化性能優勢，力學仿真分析發現仿貝殼結構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。仿貝殼結構與剪切變硬材料的協同耗能作用，顯示出1+1>2的效應，使復合玻璃在更大范圍的沖擊速度下呈現出更好的抗沖擊性能（圖2）。
此外，仿生復合玻璃還顯示出良好的隔熱性能。仿貝殼結構面板通過特殊的磚塊-灰泥排布結構降低面外熱傳導，與低熱導率的剪切變硬材料共同作用，提高了仿生復合玻璃的隔熱性能。與目前廣泛使用的塊體玻璃、夾層玻璃和中空玻璃相比，仿生復合玻璃在透明、輕質、抗沖擊、隔熱等綜合應用性能上顯示出優越性（圖1c）。
圖1 仿生復合玻璃的綜合應用性能
圖2 仿生復合玻璃的力學機制分析
