仿生珍珠层结构增强透明防护复合材料的抗冲击性能研究

为解决传统透明防护材料抗冲击性能不足的问题，研究人员通过实验与数值模拟相结合的方法，研究了具有仿生珍珠层(nacre)结构的双层透明防护复合材料。研究发现，对齐和交错排列的珍珠层结构因应力自锁特性和界面剪切行为，展现出优于传统单层设计的抗冲击性能，弹道测试中穿透深度降低8.18%–15.48%。该研究为设计高性能透明防护材料提供了新思路。

　　

透明防护材料在军事、建筑和交通等领域需求迫切，但传统单层玻璃或聚合物材料面临抗冲击性能与透明度的矛盾。自然界中珍珠母(nacre)的“砖-泥”结构通过界面能量耗散机制实现了高强度与韧性，为材料设计提供了仿生灵感。然而，如何将这种结构转化为可工程化应用的透明复合材料，并阐明其抗冲击机制，仍是亟待解决的科学问题。

Jun Sun团队在《Materials》发表的研究中，通过实验与有限元模拟相结合的方法，系统研究了珍珠层结构参数对双层玻璃复合材料抗冲击性能的影响。研究采用弹道测试(220 m/s)和动态力学分析，对比了传统单层板与对齐/交错排列的仿生结构性能差异，并通过高速摄影和应力波分析揭示了微观机制。

仿生结构的抗穿透性能

实验表明，珍珠层结构通过应力波在“砖块”(tablets)间的多次反射和衰减形成应力自锁(stress self-locking)，使对齐和交错结构的穿透深度分别降低8.18%和15.48%。交错排列因更多“砖块”参与界面剪切(inter-shearing)，表现出更优性能。

厚度比与能量耗散

当两层玻璃厚度比为1:1时，相近的刚度与韧性产生更多载荷传递路径，使能量耗散最大化。有限元模拟显示，较小的“砖块”尺寸通过增加界面数量进一步提升结构协同耗能能力。

偏心冲击的影响

弹着点偏离中心时抗穿透性能下降，但交错结构受影响较小。随着弹着点接近靶心，不同结构的性能差异呈现收敛趋势，表明结构优化需考虑实际冲击场景。

该研究首次量化了珍珠层仿生结构在透明防护材料中的抗冲击增益，揭示了应力自锁与界面剪切的核心机制。提出的1:1厚度比设计准则和小尺寸“砖块”优化策略，为航空航天装甲、防爆玻璃等应用提供了理论支撑。未来可通过多尺度结构调控进一步平衡透明度与防护性能，推动仿生防护材料的工程化应用。