顆粒在線訊：Bouligand結構由單向納米纖維薄層螺旋堆疊而成。這種結構組織廣泛存在于天然生物材料中，表現出卓越的力學功能。例如，Bouligand結構可以賦予雀尾螳螂蝦前螯強大的攻擊能力，其可發(fā)生高速高溫高能撞擊行為，同時確保自身不受損傷。此外，Bouligand結構還能夠賦予巨骨舌魚鱗片抵抗食人魚猛烈撕咬和刺穿的能力，確保底部軟組織的完好。

圖1 雀尾螳螂蝦前螯中的Bouligand結構 (Science 2012)

向自然學習，構筑Bouligand結構對于發(fā)展新型纖維增強復合材料具有積極意義。但由于纖維組裝技術有限，構建Bouligand結構納米復合材料仍然具有挑戰(zhàn)性。近日，中國科學技術大學俞書宏院士、高懷嶺副研究員團隊首次在納米復合材料設計中引入“非連續(xù)Bouligand結構”的概念，開發(fā)了一種基于程序化操控的納米纖維刷涂組裝方法，利用環(huán)保的硅基納米纖維和生物聚合物成功構筑了仿生非連續(xù)Bouligand結構納米復合材料。獨特的螺旋組織和不連續(xù)性使得納米復合材料能夠通過裂紋扭曲和纖維橋接實現協同增韌。實驗表明，納米復合材料表現出優(yōu)異的拉伸強度(356.1 MPa)、能量吸收(28.8 MJ m-3 )和疲勞耐久性(超過30,000次彎曲循環(huán))，優(yōu)于諸多天然和合成Bouligand結構復合材料。該研究為新型纖維增強復合材料的研制提供了新思路。相關工作以“Biomimetic discontinuous Bouligand structural design enables high-performance nanocomposites”發(fā)表在《Matter》。

[仿生非連續(xù)Bouligand結構納米復合材料的制備與微觀結構]

非連續(xù)Bouligand結構的構建可以分為兩個步驟，包括取向納米纖維獲得單向薄層和螺旋堆疊薄層。在濕態(tài)滑動剪切力的作用下，硬硅鈣石(CaSi)納米纖維在海藻酸鈉(SA)基體中取向排列，進一步通過逐層堆積與旋轉平臺和熱干燥系統的有效接續(xù)，最終可得到具有非連續(xù)Bouligand結構的層狀納米復合薄膜。微結構SEM照片和納米壓痕模量和硬度的周期性變化證明了Bouligand結構的順利構建。

圖2 可編程納米纖維組裝系統和仿生非連續(xù)Bouligand結構表征

[仿生非連續(xù)Bouligand結構納米復合材料的力學性能]

作者對所構筑的納米復合材料進行了系統的力學研究。實驗表明，具有 20°偏轉角的仿生納米復合薄膜表現出最佳抗拉強度(356.1 MPa)、斷裂伸長率 (14.1%)和單位體積能量吸收(28.8 MJ m-3)，優(yōu)于制備的其余偏轉角以及無序結構的納米復合材料。這得益于小角度螺旋組織具有能夠減輕局部應力集中和賦予納米纖維重新取向強化的層間耦合能力。值得一提的是，所得到的力學性能參數優(yōu)于許多天然Bouligand結構材料(如魚鱗、層狀骨、螳螂蝦的前螯和螃蟹的外骨骼等)和已報道的仿生Bouligand結構材料以及工程纖維復合材料。

圖3 仿生非連續(xù)Bouligand結構納米復合薄膜的單軸拉伸性能

除了抗拉伸外，仿生非連續(xù)Bouligand結構的優(yōu)越性還表現在抗撕裂性上。具有 20°偏轉角的薄膜材料單位體積能量吸收高達1.54 MJ m-3。對撕裂失效后的薄膜進行SEM觀測，發(fā)現材料斷面在厚度方向上呈現周期性形態(tài)，這反映了高度扭曲復雜的裂紋擴展以及廣泛的能量耗散，體現了Bouligand結構的力學優(yōu)勢。

圖4 撕裂加載下，仿生非連續(xù)Bouligand結構納米復合薄膜的單位體積能量吸收和裂紋擴展

研究者進一步對制備的納米復合材料進行了穿刺測試，其峰值力和總能量分別為6.41 N和1.52 mJ，甚至優(yōu)于部分工程塑料。此外，仿生非連續(xù)Bouligand結構所賦予的優(yōu)點在低速沖擊場景中也表現出來，通過產生更廣泛的徑向發(fā)散裂紋，其峰值力和總能量分別為128.58 N和0.13973 J。循環(huán)彎曲加載對薄膜的結構和界面穩(wěn)定性提出了更高的要求，得益于良好的層間耦合能力和應力傳遞效率，復合薄膜可以承受超過30,000次彎曲循環(huán)而沒有明顯的裂紋擴展。

圖5 仿生非連續(xù)Bouligand結構納米復合薄膜的穿刺和沖擊性能

總結：研究者首次在納米復合材料中引入了“非連續(xù)Bouligand結構”設計的概念，發(fā)展了一種基于程序化操控的納米纖維刷涂組裝方法，構筑了一種基于非連續(xù)CaSi納米纖維的仿生Bouligand結構納米復合材料。其獨特的結構使納米復合材料具有顯著的層間耦合能力、高應力傳遞效率、曲折的裂紋擴展，從而具有優(yōu)異的力學性能。更重要的是，結合可編程的組裝策略，仿生非連續(xù)Bouligand結構設計對于改進提升連續(xù)粗纖維增強塑料復合材料和開發(fā)納米纖維基先進復合材料具有啟發(fā)意義。