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Adv.Sci | 倪勇教授、姚宏斌教授提出预应力协同耗能策略增强仿珍珠层结构抗冲击性能

( 2022-01-17 )

近日,中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室倪勇教授、应用化学系姚宏斌教授研究团队从“含内应力贝壳抵抗螳螂虾击打”的自然现象受启发,提出增强仿珍珠层结构抗冲击性的预应力策略相关研究成果以 “A Prestressing Strategy Enabled Synergistic Energy-Dissipation in Impact-Resistant Nacre-Like Structures” 为题,于2022年1月13日发表在 《Advanced Science》 上。

贝壳珍珠层利用碳酸钙和蛋白质等有限低性能组分,构筑“砖块-灰泥”交错结构形式,可以实现超越其组分上千倍的断裂韧性提升以及几十倍的抗冲击性提升,进而成为先进高性能工程材料设计的模板。“砖块滑移”是贝壳珍珠层受冲击时的主要耗能机制,然而大范围砖块滑移的实现需要严格控制结构尺寸、材料组分性能、界面性质等复杂参数,导致仿珍珠层结构性能提升远未达到贝壳珍珠层的高效程度。如何简单、有效地发挥砖块滑移耗能需要进一步探索。研究发现,贝壳受到螳螂虾等攻击时,由于内收肌施加闭合力以及壳内非均质结构特征,珍珠层内存在显著的残余应力,该残余应力的产生与工程复合材料中由于服役载荷、生产工艺等产生的初始内应力相似,该初始内应力作为一种预应力策略被广泛应用于纤维复合材料、钢化玻璃、张拉膜、钢筋混凝土梁等结构,可以抵消外部载荷、促进内部结构变形等,进而提升整体力学性能。受此启发,我们猜想是否可以利用预应力策略充分发挥砖块滑移耗能来进一步增强仿珍珠层结构的抗冲击性。

针对上述问题,研究团队建立预应力作用下的仿珍珠层结构抗冲击模型,分析滑移、脱层、裂纹扩展等多种耗能模式间的协同与竞争,揭示了预应力策略和砖块滑移间的协同耗能效应,发现预拉伸预应力可以促进大范围砖块滑移耗能,进而增强珍珠层结构的抗冲击性。同时,发现存在抗冲击耗能峰值对应的临界预应力,起源于预应力促进砖块滑移提升层间耗能的同时,也会削弱结构完整性降低裂纹扩展耗能,两者间的竞争妥协机制导致抗冲击性优化。


图1.复杂失效过程模拟分析预应力策略对仿珍珠层结构抗冲击性的影响

进一步, 团队建立仿珍珠层结构三维数字模型并实现3D打印,同时搭建了预应力下3D打印仿珍珠层结构的落锤测试系统,利用高速摄像在位观测裂纹扩展过程、X-ray CT重构三维失效形貌,从而证实了预应力策略对砖块滑移的促进作用以及存在抗冲击性优化对应的临界预应力。

图2. 3D打印和预拉伸落锤测试验证实抗冲击性优化的临界预应力

最后,该预应力策略成功地应用于团队设计的仿珍珠层结构电池隔膜(详情参见研究团队先前发表于Advanced Materials上的工作https://doi.org/10.1002/adma.201905711),有效地维持了冲击后隔膜内部的孔结构,从而保证了电池充放电过程中具有均匀的锂离子流。相对于使用商业陶瓷隔膜和无预应力仿珍珠层隔膜的LiFePO4/Li纽扣电池,采用预应力下冲击后的仿珍珠层隔膜的纽扣电池表现出较高的比容量和较好的循环稳定性。进一步,我们提出在锂离子电池的实际生产中,可以通过电池缠绕过程中控制缠绕轴的相对速度,从而将预应力策略有效地应用于我们设计的仿珍珠层结构隔膜中,增强锂电池的抗冲击安全性和电化学性能。

图3. 应用预应力策略增强仿珍珠层结构隔膜的电化学性能

该工作“师法自然,超越自然”,可以猜测,预应力策略也适用于螳螂虾Bouligand结构、海螺壳交错结构等高性能非均质仿生结构,为充分发挥非均质防生结构的变形耗能机制提供了一种简单、有效的力学方案,为提升仿生工程结构材料和储能结构器件的抗冲击安全性开辟新途径。

论文的第一作者为中国科学技术大学近代力学系吴开金博士后和应用化学系宋永慧博士,通讯作者为中国科学院材料力学行为和设计重点实验室倪勇教授和中国科学技术大学应用化学系姚宏斌教授。合作者为中国科学院材料力学行为和设计重点实验室何陵辉教授、龚兴龙教授、郑志军副教授。本研究得到国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项、博士后创新人才支持计划等项目的支持。




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