仿生多層級柔性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備及力學(xué)性能分析

鄭 宇 郭 策 馬耀鵬 管吉鋼

南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京，210016

0 引言

抗沖擊結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(guān)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(fā)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(jié)構(gòu)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(fā)生碰撞，這種低速沖擊載荷很有可能會引起結(jié)構(gòu)表面微小裂紋的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度和承載力降低，為安全埋下隱患[3-5]。軍用產(chǎn)品包裝件在運輸過程中會不可避免地受到?jīng)_擊和振動，而跌落沖擊是最常見的致?lián)p因素[6]。進(jìn)一步地，精密儀器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷，影響結(jié)構(gòu)的正常功能。

抗沖擊結(jié)構(gòu)不僅要能有效抵御沖擊結(jié)構(gòu)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(hù)目標(biāo)，因此，抗沖擊結(jié)構(gòu)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(shè)計防護(hù)結(jié)構(gòu)時，自然界中的生物結(jié)構(gòu)給我們帶來了諸多啟示。經(jīng)過漫長的進(jìn)化和自然斗爭，許多生物都進(jìn)化出了高效的防護(hù)結(jié)構(gòu)，如魚鱗結(jié)構(gòu)[9-10]。魚鱗結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為仿生模板，設(shè)計出一種新型的防護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由樹脂打印的鱗片和橡膠層組成，可有效實現(xiàn)靈活性和防護(hù)性之間的平衡，而且，通過調(diào)整鱗片排列參數(shù)可以實現(xiàn)不同的材料力學(xué)特性，然而，作者的分析僅建立在單排鱗片結(jié)構(gòu)上，多排鱗片對復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)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(hù)結(jié)構(gòu)，并通過有限元仿真對該結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，這種防護(hù)結(jié)構(gòu)具有很好的抗低速沖擊能力，進(jìn)一步地，通過增加鱗片的曲率可以進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)的能量吸收效率。REICHERT[14]依據(jù)塞內(nèi)加爾多鰭魚鱗片結(jié)構(gòu)，采用樹脂材料打印制備鱗片結(jié)構(gòu)，采用類橡膠(TangPlus DM9740)材料打印制備基底結(jié)構(gòu)，并通過膠粘的方式將仿生鱗片與基底結(jié)構(gòu)連接，探討了仿生鱗片的力學(xué)防護(hù)機制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。劉鵬[15]通過對草魚鱗片結(jié)構(gòu)形態(tài)及力學(xué)性能的研究，設(shè)計出仿生鱗片輕質(zhì)防護(hù)結(jié)構(gòu)，并利用有限元仿真對仿生鱗片的厚度比和整個防護(hù)裝具覆蓋率進(jìn)行了優(yōu)化分析。

上述國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，仿生鱗片防護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合性能突出，具有很好的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于柔性防護(hù)物流包裝、柔性防護(hù)裝甲等領(lǐng)域。目前，針對仿生鱗片柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究都側(cè)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(jié)構(gòu)材料，導(dǎo)致在測試時出現(xiàn)基底層結(jié)構(gòu)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(fā)揮仿生鱗片層的防護(hù)特性。

與一般呈平板狀鱗片相比，具有覆瓦狀結(jié)構(gòu)特征的中華鱘背部骨鱗具有很好的變形吸能特性，可進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，可進(jìn)一步提高基底層結(jié)構(gòu)的斷裂韌性，有利于充分發(fā)揮仿生鱗片層的防護(hù)功能。本文以中華鱘背部骨鱗結(jié)構(gòu)和魚皮結(jié)構(gòu)作為仿生模板，設(shè)計出一種新的仿生多層級柔性防護(hù)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，并采用尼龍、液態(tài)硅橡膠和凱夫拉纖維材料進(jìn)行制備。最后通過沖擊力學(xué)測試進(jìn)行性能評估，對仿生多層級柔性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的防護(hù)機制進(jìn)行深入分析。

1 材料和方法

1.1 仿生結(jié)構(gòu)形態(tài)分析

如圖1所示，依據(jù)中華鱘背部骨鱗的結(jié)構(gòu)形態(tài)，骨鱗(藍(lán)色虛線)可分為CⅠ、CⅡ和CⅢ三種。實驗觀察發(fā)現(xiàn)，中華鱘背部骨鱗的個數(shù)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(jié)構(gòu)的主要組成部分。研究結(jié)果表明，中華鱘背部骨鱗呈覆瓦狀結(jié)構(gòu)形態(tài)，是一種高度礦化的輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)，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(biāo)。

圖1 中華鱘背部骨鱗結(jié)構(gòu)形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of the dorsal bony scales in the acipenser sinensis

1.2 仿生多層級防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用三維掃描(JTscan-SL)和逆向處理軟件(NX Imageware 13.0)對骨鱗結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生設(shè)計(圖2a中的Type 1)。仿生設(shè)計基本遵循了CⅡ骨鱗結(jié)構(gòu)的生物原型，由于骨鱗結(jié)構(gòu)的鋸齒狀邊緣和表面的不規(guī)則凸點較為尖銳，在受到外力時可能會促使骨鱗結(jié)構(gòu)刺入基底材料，因而設(shè)計中去除了這些結(jié)構(gòu)。仿生骨鱗結(jié)構(gòu)尺寸x×y×z=16.63 mm×17.42 mm×12.62 mm，兩側(cè)骨板厚度為0.8 mm，骨板間的夾角γ=73.2°，與CⅡ骨鱗結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。為了進(jìn)一步分析角度γ變化對仿生結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，采用依次遞增25°的方式設(shè)計出另外四種仿生骨鱗結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)之間的重疊率定義為Kd=B/A(B/A為兩個區(qū)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(jìn)行控制，每種結(jié)構(gòu)不同重疊率對應(yīng)的D1和D2值如表1所示。仿生骨鱗結(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計模型如圖2c所示，該結(jié)構(gòu)由仿生鱗片層、柔性基底層結(jié)構(gòu)組成，柔性基底層結(jié)構(gòu)依據(jù)中華鱘魚皮結(jié)構(gòu)特征設(shè)計得到，該結(jié)構(gòu)由柔性材料和纖維鋪層材料構(gòu)成，纖維層數(shù)為5。仿生復(fù)合結(jié)構(gòu)模型的尺寸為166 mm×103 mm×18 mm。為了進(jìn)一步研究重疊率Kd和嵌入角度θ對仿生多層級柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)防護(hù)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(jié)構(gòu)試樣(S1～S21)。

表1 S1～S21結(jié)構(gòu)試樣的D1和D2值

1.3 仿生多層級防護(hù)結(jié)構(gòu)制備

仿生多層級柔性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)由仿生鱗片層和仿生魚皮柔性基底層結(jié)構(gòu)組成。仿生骨鱗結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖3所示。尼龍材料具有輕質(zhì)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛[18]，其材料力學(xué)性能見表2。仿生骨鱗結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)具有較好的韌性和變形能力，能充分發(fā)揮覆瓦狀結(jié)構(gòu)的變形特性，與生物結(jié)構(gòu)原型相近，這有效保證了后續(xù)試驗分析結(jié)論的準(zhǔn)確性。

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

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

(a) 壓縮試驗 (b) 力學(xué)特性對比

仿生魚皮柔性基底層結(jié)構(gòu)采用液態(tài)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(yīng)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(jié)構(gòu)與柔性基底層的連接方式為嵌入式，因此在模具1設(shè)計過程中應(yīng)設(shè)計出與仿生骨鱗結(jié)構(gòu)形狀相同的凸起結(jié)構(gòu)(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(jìn)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(jié)構(gòu)的高度h=3 mm。

表2 尼龍、液態(tài)硅橡膠和凱夫拉纖維材料力學(xué)特性[19-21]

具體制備過程如下。第一步，先將液態(tài)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(chǎn)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(jìn)行氣泡抽離，抽取時間為30 min。抽取結(jié)束后將模具1放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，箱中溫度設(shè)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(jìn)行氣泡抽離，最后進(jìn)行固化，固化溫度及時間與上述一致。該步驟重復(fù)5次，直至五層纖維鋪設(shè)完成。第三步，取出試樣，將采用尼龍材料打印的仿生骨鱗結(jié)構(gòu)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(jìn)行氣泡抽離和固化。最終制備的仿生多層級柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖5d所示，結(jié)構(gòu)尺寸為166 mm×103 mm×18 mm。制備完成的S1～S21結(jié)構(gòu)如圖6所示，每種仿生輕質(zhì)結(jié)構(gòu)包含3個相同試樣。

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

2 仿生防護(hù)結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)落錘高度和增減砝碼來控制沖擊能量和沖擊速度。該設(shè)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(zhì)量為15 kg，落錘高度見表3。為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每種結(jié)構(gòu)的測試中，都會將落錘定位在結(jié)構(gòu)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(qū)域。

圖6 S1～S21仿生多層級柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig.6 The bionic multilayer flexible composite structure S1～S21

表3 S1～S21結(jié)構(gòu)試樣的沖擊測試結(jié)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(jié)構(gòu)組成的S10結(jié)構(gòu)試樣的抗沖擊性能最好，該結(jié)構(gòu)對應(yīng)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(hù)特性。Type 1仿生骨鱗結(jié)構(gòu)兩側(cè)骨板間的夾角γ僅為73.2°，骨鱗結(jié)構(gòu)間所能達(dá)到的最大重疊率為0.2，由于重疊部分太少，在受到?jīng)_擊作用時，受到?jīng)_擊作用的骨鱗結(jié)構(gòu)不能有效將沖擊載荷傳遞給相鄰骨鱗，導(dǎo)致骨鱗結(jié)構(gòu)間的協(xié)同防護(hù)效果較差。

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

由力-位移曲線可以看出，當(dāng)夾角γ由73.2°增至148.2°時(Type 1至Type 4)，結(jié)構(gòu)試樣的抗沖擊性能依次增強，當(dāng)夾角γ繼續(xù)增加時，結(jié)構(gòu)試樣的抗沖擊性能減弱，如圖7a～圖7e所示。這是因為，當(dāng)夾角γ增大時，仿生骨鱗結(jié)構(gòu)之間所能達(dá)到的重疊率有了顯著增大，結(jié)構(gòu)間的排列更加緊密，有利于提高結(jié)構(gòu)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?jīng)_擊作用時，不僅能通過骨鱗結(jié)構(gòu)間的協(xié)同防護(hù)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(jìn)一步吸收沖擊能量。而當(dāng)夾角γ增加至173.2°(Type 5)時，此時的骨鱗近似為平面結(jié)構(gòu)，在受到?jīng)_擊作用時，缺少了上述覆瓦狀骨鱗的變形特性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)試樣的沖擊性能降低。

圖7f所示為S1～S21結(jié)構(gòu)試樣最大沖擊力的平均值，可以看出，當(dāng)重疊率增加時，結(jié)構(gòu)試樣的抗沖擊性能增強。不過，當(dāng)結(jié)構(gòu)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(yīng)的變形位移減小(圖7d～圖7e)。這是因為當(dāng)重疊率增大時，仿生骨鱗結(jié)構(gòu)間的排列更加緊密，使得仿生鱗片層的剛度增加，進(jìn)而降低了整體結(jié)構(gòu)的變形能力。

圖8所示為S1～S21結(jié)構(gòu)試樣的能量吸收-位移曲線，表3給出了S1～S21結(jié)構(gòu)試樣的測試結(jié)果。由圖8可以看出，仿生多層級柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)本身的變形能力也在降低所引起的。當(dāng)夾角γ由73.2°增至148.2°時(Type 1至Type 4)，結(jié)構(gòu)試樣的吸能特性增大，當(dāng)夾角γ繼續(xù)增加時，結(jié)構(gòu)試樣的吸能特性降低。當(dāng)重疊率Kd由0.2增至0.6時，結(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)的比吸能和抗沖擊載荷值最高，具有最優(yōu)越的抗沖擊力學(xué)特性。這表明在滿足較高重疊率的條件下，具有覆瓦狀形態(tài)特征的鱗片結(jié)構(gòu)比平板狀(Type 5)的鱗片結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊力學(xué)特性，這是因為覆瓦狀骨鱗可以通過自身變形吸收能量，進(jìn)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(jié)論

(1)采用尼龍、液態(tài)硅橡膠和凱夫拉纖維經(jīng)過高溫成形方法制備出仿生多層級柔性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，固化成形后，不同結(jié)構(gòu)材料之間的結(jié)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(jié)果表明，S10結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性最好，具有覆瓦狀特征的仿生骨鱗結(jié)構(gòu)有著優(yōu)越的變形吸能特性。進(jìn)一步地，仿生骨鱗結(jié)構(gòu)間的重疊率Kd增大以及夾角γ和嵌入角度θ適當(dāng)增加有利于提高仿生多層級柔性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性。

(3)該仿生復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)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(yīng)力和裂紋的纖維層，顯著提高了結(jié)構(gòu)的抗低速沖擊力學(xué)特性，為新的柔性防護(hù)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備提供了參考。