供稿人:侯章浩，田小永 发布日期：2018-04-15
人的一生难免会受到来自外界的伤害，因此发明了防护器具（如头盔和铠甲），用于有效的吸收或消耗来自外界的冲击能量，保护穿戴者的人身安全。在军事上，防护器具更是十分重要。海螺壳被认为是自然界韧性最好的铠甲之一，比珍珠母的韧性还要强一个数量级。然而海螺壳的结构十分复杂，传统的减材制造工艺很难制造出海螺壳式的交叉多层级结构，因此限制了对其结构机理的深入研究。然而随着3D打印的出现与发展，为复杂的仿生结构研究提供了技术支撑。
不久前，麻省理工学院的研究人员利用3D打印工艺进行了仿海螺壳材料的研究，对海螺壳耐冲击的机理进行了深入分析，并将研究成果发表在《Advanced Materials》期刊上。
该论文根据海螺的多层级结构特征，提出了一种三维仿海螺壳的原型（如图1所示），并通过多材料3D打印机（Stratasys Connex 3）制造了出来，模型中红色部分为柔性材料，绿色部分为脆性材料。
图1 海螺的多层级结构模型
研究人员通过落锤实验进行了测试，并对裂纹的传播进行了系统分析，如图2所示。研究结果表明：与单层级和纯刚性成分的结构相比，引入二级层级的“交叉铺层”将结构的冲击性能分别提高了70%和85%。海螺壳主要是通过特有的多层级结构使得裂缝在传播过程中发生偏转，进而消耗裂纹传播的能量，起到增韧的作用，这种机制可以被推广到未来防护装备，如装甲、头盔和防弹衣的设计。
图2 裂纹的传播