近日，中國科學技術大學倪勇教授、姚宏斌教授研究團隊從“含內應力貝殼抵抗螳螂蝦擊打”的自然現象受啟發，提出增强仿珍珠層結構抗衝擊性的預應力策略。相關研究成果以“A Prestressing Strategy Enabled Synergistic Energy-Dissipation in Impact-Resistant Nacre-Like Structures”為題，於2022年1月13日發表在《Advanced Science》上（https://doi.org/10.1002/advs.202104867）。
貝殼珍珠層利用碳酸鈣和蛋白質等有限低效能組分，構築“磚塊-灰泥”交錯結構形式，可以實現超越其組分上千倍的斷裂韌性提升以及幾十倍的抗衝擊性提升，進而成為先進高性能工程材料設計的範本。“磚塊滑移”是貝殼珍珠層受衝擊時的主要耗能機制，然而大範圍磚塊滑移的實現需要嚴格控制結構尺寸、資料組分效能、介面性質等複雜參數，導致仿珍珠層結構性能提升遠未達到貝殼珍珠層的高效程度。如何簡單、有效地發揮磚塊滑移耗能需要進一步探索。研究發現，貝殼受到螳螂蝦等攻擊時，由於內收肌施加閉合力以及殼內非均質結構特徵，珍珠層記憶體在顯著的殘餘應力，該殘餘應力的產生與工程複合材料中由於服役載荷、生產工藝等產生的初始內應力相似，該初始內應力作為一種預應力策略被廣泛應用於纖維複合材料、鋼化玻璃、張拉膜、鋼筋混凝土梁等結構，可以抵消外部載荷、促進內部結構變形等，進而提升整體力學性能。受此啟發，我們猜想是否可以利用預應力策略充分發揮磚塊滑移耗能來進一步增強仿珍珠層結構的抗衝擊性。
針對上述問題，研究團隊建立預應力作用下的仿珍珠層結構抗衝擊模型，分析滑移、脫層、裂紋擴展等多種耗能模式間的協同與競爭，揭示了預應力策略和磚塊滑移間的協同耗能效應，發現預拉伸預應力可以促進大範圍磚塊滑移耗能，進而增强珍珠層結構的抗衝擊性。同時，發現存在抗衝擊耗能峰值對應的臨界預應力，起源於預應力促進磚塊滑移提升層間耗能的同時，也會削弱結構完整性降低裂紋擴展耗能，兩者間的競爭妥協機制導致抗衝擊性優化。
圖1.複雜失效過程類比分析預應力策略對仿珍珠層結構抗衝擊性的影響
進一步，團隊建立仿珍珠層結構三維數位模型並實現3D列印，同時搭建了預應力下3D列印仿珍珠層結構的落錘測試系統，利用高速攝像在位觀測裂紋擴展過程、X-ray CT重構三維失效形貌，從而證實了預應力策略對磚塊滑移的促進作用以及存在抗衝擊性優化對應的臨界預應力。
圖2.3D列印和預拉伸落錘測試驗證實抗衝擊性優化的臨界預應力
最後，該預應力策略成功地應用於團隊設計的仿珍珠層結構電池隔膜（詳情參見研究團隊先前發表於Advanced Materials上的工作https://doi.org/10.1002/adma.201905711），有效地維持了衝擊後隔膜內部的孔結構，從而保證了電池充放電過程中具有均勻的鋰離子流。相對於使用商業陶瓷隔膜和無預應力仿珍珠層隔膜的LiFePO4/Li紐扣電池，採用預應力下衝擊後的仿珍珠層隔膜的紐扣電池表現出較高的比容量和較好的迴圈穩定性。進一步，我們提出在鋰離子電池的實際生產中，可以通過電池纏繞過程中控制纏繞軸的相對速度，從而將預應力策略有效地應用於我們設計的仿珍珠層結構隔膜中，增强鋰電池的抗衝擊安全性和電化學效能。
圖3.應用預應力策略增强仿珍珠層結構隔膜的電化學效能
該工作“師法自然，超越自然”，可以猜測，預應力策略也適用於螳螂蝦Bouligand結構、海螺殼交錯結構等高效能非均質仿生結構，為充分發揮非均質仿生結構的變形耗能機制提供了一種簡單、有效的力學方案，為提升仿生工程結構資料和儲能結構器件的抗衝擊安全性開闢新途徑。
論文的第一作者為中國科學技術大學近代力學系吳開金博士後和應用化學系宋永慧博士，通訊作者為倪勇教授和姚宏斌教授。合作者為中國科學技術大學何陵輝教授、龔興龍教授、鄭志軍副教授。本研究得到國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項、博士後創新人才支持計畫等項目的支持。