仿生多層級柔性輕質結構的設計、制備及力學性能分析

鄭 宇 郭 策 馬耀鵬 管吉鋼

南京航空航天大學機電學院，南京，210016

0 引言

抗沖擊結構材料一直是近年來的研究熱點。一般來說，沖擊可按照速度分為三類：沖擊速度大于200 m/s的定義為高速沖擊；沖擊速度小于20 m/s的定義為低速沖擊；沖擊速度介于兩者之間的定義為中速沖擊[1]。由于中高速沖擊如子彈和爆炸碎片會給人們的生命財產和安全造成很大的威脅，因而一直受到軍隊和研究人員的高度關注。與中高速沖擊相比，低速沖擊所造成的傷害較低，還沒有受到足夠的重視。低速沖擊廣泛存在于我們的日常生活中，具有隨機性強和發生率高等特征。盡管低速沖擊造成的損害程度不及高速沖擊，但對很多工程結構來說，低速沖擊是一種潛在的危險[2]。例如，輪船在行駛過程中可能會與海上漂浮物或橋墩等發生碰撞，這種低速沖擊載荷很有可能會引起結構表面微小裂紋的產生，進而導致結構強度和承載力降低，為安全埋下隱患[3-5]。軍用產品包裝件在運輸過程中會不可避免地受到沖擊和振動，而跌落沖擊是最常見的致損因素[6]。進一步地，精密儀器結構在運輸過程中的傾倒、城市高架橋橋墩被車輛撞擊等[7]，這些沖擊都會對結構造成不同程度的損傷，影響結構的正常功能。

抗沖擊結構不僅要能有效抵御沖擊結構的侵徹，還要具有變形吸能特性以避免沖擊載荷直接傳遞給保護目標，因此，抗沖擊結構一般由兩部分組成，即抵御侵徹的高強度表面層和可變形的柔性基底層[8]。在設計防護結構時，自然界中的生物結構給我們帶來了諸多啟示。經過漫長的進化和自然斗爭，許多生物都進化出了高效的防護結構，如魚鱗結構[9-10]。魚鱗結構不僅具有超輕、超薄的特征，還能抵御較強的咬合力，且由于單個鱗片尺寸較小，重疊排列的方式還可使魚體保持較高的靈活性[11]。

BROWNING等[12]以大西洋鮭魚魚鱗結構為仿生模板，設計出一種新型的防護結構，該結構由樹脂打印的鱗片和橡膠層組成，可有效實現靈活性和防護性之間的平衡，而且，通過調整鱗片排列參數可以實現不同的材料力學特性，然而，作者的分析僅建立在單排鱗片結構上，多排鱗片對復合結構力學特性的影響還不得而知。CHUA等[13]采用鋁合金和多孔材料制備出仿生魚鱗防護結構，并通過有限元仿真對該結構的抗沖擊性能進行了深入研究，結果表明，這種防護結構具有很好的抗低速沖擊能力，進一步地，通過增加鱗片的曲率可以進一步改善結構的能量吸收效率。REICHERT[14]依據塞內加爾多鰭魚鱗片結構，采用樹脂材料打印制備鱗片結構，采用類橡膠(TangPlus DM9740)材料打印制備基底結構，并通過膠粘的方式將仿生鱗片與基底結構連接，探討了仿生鱗片的力學防護機制及結構優化設計。劉鵬[15]通過對草魚鱗片結構形態及力學性能的研究，設計出仿生鱗片輕質防護結構，并利用有限元仿真對仿生鱗片的厚度比和整個防護裝具覆蓋率進行了優化分析。

上述國內外學者的研究表明，仿生鱗片防護結構的綜合性能突出，具有很好的應用前景，可應用于柔性防護物流包裝、柔性防護裝甲等領域。目前，針對仿生鱗片柔性防護結構的研究都側重仿生鱗片層而忽視基底層，僅選用單一材料作為基底層結構材料，導致在測試時出現基底層結構過早斷裂失效而仿生鱗片層未斷裂失效的情況，沒能充分發揮仿生鱗片層的防護特性。

與一般呈平板狀鱗片相比，具有覆瓦狀結構特征的中華鱘背部骨鱗具有很好的變形吸能特性，可進一步提高仿生鱗片層的抗沖擊特性。此外，以中華鱘魚皮為仿生對象[16]，對柔性基底層結構進行設計，可進一步提高基底層結構的斷裂韌性，有利于充分發揮仿生鱗片層的防護功能。本文以中華鱘背部骨鱗結構和魚皮結構作為仿生模板，設計出一種新的仿生多層級柔性防護輕質結構，并采用尼龍、液態硅橡膠和凱夫拉纖維材料進行制備。最后通過沖擊力學測試進行性能評估，對仿生多層級柔性輕質結構的防護機制進行深入分析。

1 材料和方法

1.1 仿生結構形態分析

如圖1所示，依據中華鱘背部骨鱗的結構形態，骨鱗(藍色虛線)可分為CⅠ、CⅡ和CⅢ三種。實驗觀察發現，中華鱘背部骨鱗的個數一般為12～14。其中，CⅠ骨鱗和CⅢ骨鱗各一個，分別位于魚體的頭部和尾部，其余皆為CⅡ骨鱗，位于CⅠ骨鱗和CⅢ骨鱗之間。可以看出，CⅡ骨鱗是中華鱘背部骨鱗結構的主要組成部分。研究結果表明，中華鱘背部骨鱗呈覆瓦狀結構形態，是一種高度礦化的輕質高強結構，其彈性模量和拉伸強度分別為(11.609±0.802) GPa和(138.84±4.21) MPa，具有很強的刺穿阻力和變形吸能特性[17]。本文選擇CⅡ骨鱗作為研究目標。

圖1 中華鱘背部骨鱗結構形態特征Fig.1 Morphological characteristics of the dorsal bony scales in the acipenser sinensis

1.2 仿生多層級防護結構設計

利用三維掃描(JTscan-SL)和逆向處理軟件(NX Imageware 13.0)對骨鱗結構進行仿生設計(圖2a中的Type 1)。仿生設計基本遵循了CⅡ骨鱗結構的生物原型，由于骨鱗結構的鋸齒狀邊緣和表面的不規則凸點較為尖銳，在受到外力時可能會促使骨鱗結構刺入基底材料，因而設計中去除了這些結構。仿生骨鱗結構尺寸x×y×z=16.63 mm×17.42 mm×12.62 mm，兩側骨板厚度為0.8 mm，骨板間的夾角γ=73.2°，與CⅡ骨鱗結構參數一致。為了進一步分析角度γ變化對仿生結構力學性能的影響，采用依次遞增25°的方式設計出另外四種仿生骨鱗結構：Type 2(γ=98.2°)、Type 3(γ=123.2°)、Type 4(γ=148.2°)和Type 5(γ=173.2°)。

(a) 單個骨鱗 (b) 骨鱗重疊

如圖2b所示，仿生骨鱗結構之間的重疊率定義為Kd=B/A(B/A為兩個區域面積比值)，仿生鱗片間的重疊率通過鱗片之間的距離D1和D2進行控制，每種結構不同重疊率對應的D1和D2值如表1所示。仿生骨鱗結構以嵌入的方式與柔性基底層相連，嵌入角度定義為θ。仿生多層級柔性復合結構設計模型如圖2c所示，該結構由仿生鱗片層、柔性基底層結構組成，柔性基底層結構依據中華鱘魚皮結構特征設計得到，該結構由柔性材料和纖維鋪層材料構成，纖維層數為5。仿生復合結構模型的尺寸為166 mm×103 mm×18 mm。為了進一步研究重疊率Kd和嵌入角度θ對仿生多層級柔性復合結構防護性能的影響，分別定義了3種重疊率(Kd= 0.2，0.4，0.6)和3種嵌入角度(θ=20°，30°，45°)，共得到21種結構試樣(S1～S21)。

表1 S1～S21結構試樣的D1和D2值

1.3 仿生多層級防護結構制備

仿生多層級柔性輕質結構由仿生鱗片層和仿生魚皮柔性基底層結構組成。仿生骨鱗結構采用3D打印(Objet 500 Connex)方法制備，打印材料為黑色尼龍材料，制備的仿生骨鱗結構如圖3所示。尼龍材料具有輕質高強、耐磨以及耐沖擊等多種獨特性能，比拉伸強度以及比壓縮強度高于金屬，在工程領域應用廣泛[18]，其材料力學性能見表2。仿生骨鱗結構的尺寸與生物原型尺寸一致(16.63 mm×17.42 mm×12.62 mm)。如圖3f所示，由尼龍材料打印制備的仿生骨鱗結構具有較好的韌性和變形能力，能充分發揮覆瓦狀結構的變形特性，與生物結構原型相近，這有效保證了后續試驗分析結論的準確性。

(a) Type 1 (b) Type 2 (c) Type 3

為了進一步分析仿生骨鱗結構與生物骨鱗結構力學特性差異，采用壓縮試驗對兩種結構進行力學測試，如圖4所示，每種結構測試樣本數n=3。由圖4b可以看出，采用尼龍材料制備的仿生骨鱗結構進一步增強了該結構的抗壓特性；由圖4c可以看出，仿生骨鱗結構與生物骨鱗結構的斷裂方式比較接近，均未產生完全斷裂分離，這表明由尼龍材料制備的仿生結構可較為準確地模擬生物骨鱗結構的變形吸能過程。

(a) 壓縮試驗 (b) 力學特性對比

仿生魚皮柔性基底層結構采用液態硅橡膠(PDMS)和凱夫拉纖維制備而成，材料性能如表2所示。在制備工作開始之前，需要先制備出相應的模具。模具材料選擇白色尼龍，其形變溫度為175 ℃。由于仿生骨鱗結構與柔性基底層的連接方式為嵌入式，因此在模具1設計過程中應設計出與仿生骨鱗結構形狀相同的凸起結構(圖5a)，以便在柔性基底層制備完成后將仿生骨鱗嵌入其表面的孔隙中并進行最后的成形制備(圖5b～圖5d)。圖5a與圖5c中兩種模具的尺寸相同，長、寬、高分別為182 mm、119 mm、45 mm，壁厚t=8 mm，凸起結構的高度h=3 mm。

表2 尼龍、液態硅橡膠和凱夫拉纖維材料力學特性[19-21]

具體制備過程如下。第一步，先將液態硅橡膠混合液(251.8 g)置于攪拌機中緩慢攪拌25 min，使固化劑充分溶解。混合液在攪拌過程中會產生氣泡，在攪拌后需使用真空泵將氣泡抽離，抽取時間為30 min。然后將51.3 g混合液倒入模具1中(圖5a)，再次進行氣泡抽離，抽取時間為30 min。抽取結束后將模具1放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，箱中溫度設置為100 ℃，固化時間為35 min。第二步，固化完成后，在固化的硅膠上鋪一層凱夫拉纖維，然后倒入26.42 g混合液并進行氣泡抽離，最后進行固化，固化溫度及時間與上述一致。該步驟重復5次，直至五層纖維鋪設完成。第三步，取出試樣，將采用尼龍材料打印的仿生骨鱗結構插入柔性基底層表面的孔隙中，如圖5b所示。然后將試樣放入模具2中(圖5c)，并往仿生鱗片層表面倒入68.4 g混合液，再次進行氣泡抽離和固化。最終制備的仿生多層級柔性復合結構如圖5d所示，結構尺寸為166 mm×103 mm×18 mm。制備完成的S1～S21結構如圖6所示，每種仿生輕質結構包含3個相同試樣。

(a) 帶凸起結構的模具1 (b) 將仿生骨鱗結構插入柔性基底層結構表面的空隙中 (c) 模具2 (d) 制備完成的結構試樣圖5 仿生多層級柔性復合結構制備 Fig.5 The preparation of bionic multilayer flexible composite structure

2 仿生防護結構抗沖擊性能測試

沖擊測試采用的是DIT302A-TS沖擊試驗機(Wance)，沖擊錘頭是直徑為20 mm的半球體。試驗過程中，可通過調節落錘高度和增減砝碼來控制沖擊能量和沖擊速度。該設備最大沖擊能量為300 J，最大沖擊高度為6 m。測試時，通過氣動夾具將試樣固定，落錘質量為15 kg，落錘高度見表3。為保證測試結果的準確性，在每種結構的測試中，都會將落錘定位在結構中間位置仿生鱗片的正上方，使落錘能夠落在個體仿生鱗片的中部區域。

圖6 S1～S21仿生多層級柔性復合結構Fig.6 The bionic multilayer flexible composite structure S1～S21

表3 S1～S21結構試樣的沖擊測試結果

試驗得到的沖擊測試力-位移曲線如圖7所示。由圖7可知，由Type 4仿生骨鱗結構組成的S10結構試樣的抗沖擊性能最好，該結構對應的嵌入角度θ和重疊率Kd分別為30°和0.6，如圖7d所示。可以看出，較大的重疊率Kd以及較小的嵌入角度θ可以有效提高仿生鱗片層的防護特性。Type 1仿生骨鱗結構兩側骨板間的夾角γ僅為73.2°，骨鱗結構間所能達到的最大重疊率為0.2，由于重疊部分太少，在受到沖擊作用時，受到沖擊作用的骨鱗結構不能有效將沖擊載荷傳遞給相鄰骨鱗，導致骨鱗結構間的協同防護效果較差。

(a) Type 1 (b) Type 2 (c) Type 3

由力-位移曲線可以看出，當夾角γ由73.2°增至148.2°時(Type 1至Type 4)，結構試樣的抗沖擊性能依次增強，當夾角γ繼續增加時，結構試樣的抗沖擊性能減弱，如圖7a～圖7e所示。這是因為，當夾角γ增大時，仿生骨鱗結構之間所能達到的重疊率有了顯著增大，結構間的排列更加緊密，有利于提高結構的抗沖擊性能；另一方面，這種交替排列的覆瓦狀骨鱗在受到沖擊作用時，不僅能通過骨鱗結構間的協同防護機制抵御、分散沖擊載荷，還能通過自身變形(由覆瓦狀變形為扁平狀)進一步吸收沖擊能量。而當夾角γ增加至173.2°(Type 5)時，此時的骨鱗近似為平面結構，在受到沖擊作用時，缺少了上述覆瓦狀骨鱗的變形特性，導致結構試樣的沖擊性能降低。

圖7f所示為S1～S21結構試樣最大沖擊力的平均值，可以看出，當重疊率增加時，結構試樣的抗沖擊性能增強。不過，當結構試樣的抗沖擊性能隨重疊率增大而顯著增強時，其最大峰值載荷對應的變形位移減小(圖7d～圖7e)。這是因為當重疊率增大時，仿生骨鱗結構間的排列更加緊密，使得仿生鱗片層的剛度增加，進而降低了整體結構的變形能力。

圖8所示為S1～S21結構試樣的能量吸收-位移曲線，表3給出了S1～S21結構試樣的測試結果。由圖8可以看出，仿生多層級柔性復合結構在最初受到落錘沖擊時，主要依靠變形來吸收沖擊能量，因此曲線斜率較小。不過，這一變形過程較為短暫，所吸收的能量也較少，約占試樣整體吸收能量的7%～10%，如圖8a～圖8e中的虛線框所示。隨著夾角γ以及重疊率Kd增大，這一過程被逐漸縮短，即變形位移減小。這是由于仿生鱗片層的剛度增加以及夾角γ增大后仿生骨鱗結構本身的變形能力也在降低所引起的。當夾角γ由73.2°增至148.2°時(Type 1至Type 4)，結構試樣的吸能特性增大，當夾角γ繼續增加時，結構試樣的吸能特性降低。當重疊率Kd由0.2增至0.6時，結構試樣的吸能特性逐漸增強。由表3可以得知，由Type 4仿生骨鱗組成的S10仿生復合結構的比吸能和抗沖擊載荷值最高，具有最優越的抗沖擊力學特性。這表明在滿足較高重疊率的條件下，具有覆瓦狀形態特征的鱗片結構比平板狀(Type 5)的鱗片結構能進一步提高結構的抗沖擊力學特性，這是因為覆瓦狀骨鱗可以通過自身變形吸收能量，進而提高了仿生鱗片層的吸能特性。

(a) Type 1 (b) Type 2 (c) Type 3

3 結論

(1)采用尼龍、液態硅橡膠和凱夫拉纖維經過高溫成形方法制備出仿生多層級柔性輕質結構，固化成形后，不同結構材料之間的結合性能較好，有效解決了以往仿生鱗片易脫落的問題。

(2)測試結果表明，S10結構的抗沖擊特性最好，具有覆瓦狀特征的仿生骨鱗結構有著優越的變形吸能特性。進一步地，仿生骨鱗結構間的重疊率Kd增大以及夾角γ和嵌入角度θ適當增加有利于提高仿生多層級柔性輕質結構的抗沖擊特性。

(3)該仿生復合結構結合了具有能抵御沖擊錘侵徹的高強度表面層、可變形吸能柔性基底層以及能分散應力和裂紋的纖維層，顯著提高了結構的抗低速沖擊力學特性，為新的柔性防護輕質結構設計及制備提供了參考。