随着现代科技的不断进步，对抗冲击和高吸能性能的需求在各个领域愈发迫切，包括航空航天、军事防护、运动装备和交通安全等。近年来，科学家们通过仿生学原理，从自然界中寻找灵感，开发出了一系列高性能复合材料。本文将介绍如何通过仿生制造技术，开发出具有卓越抗冲击和高吸能特性的复合材料。
自然界中的灵感
在自然界中，许多生物的结构经过长时间的演化，形成了天然的防护机制。例如，动物的角和蹄经过数千万年的演化，形成了高效的能量吸收结构。华中科技大学材料科学与工程学院的研究团队与哈尔滨工业大学（深圳）理学院以及加州大学伯克利分校的教授们合作，从微观结构和力学的角度揭示了角质细胞管-层状吸能结构在角和蹄组织中的普遍性。这些生物组织在低速压缩和高速冲击载荷下，不仅能够吸收大量能量，还能保持较高的刚度和强度。
仿生设计原理
基于这些自然界的发现，研究团队通过原位同步辐射微观断层扫描技术和扫描电子显微镜，详细观察了角质细胞层在压力下的变形行为。他们发现，微观裂纹在细胞层间的扩展是主要的能量吸收机制之一。不同的角质细胞排布方式直接影响了微裂纹的扩展路径，进而决定了最终的吸能效果。研究团队进一步通过断裂力学模型，揭示了角组织更适合大载荷高能量，而蹄组织则在频繁的小能量冲击下表现出更为优异的防护性能。
仿生制造技术
利用这些发现，研究团队采用多材料3D打印技术，成功仿生制造出具有类似角质细胞管-层状微结构的复合材料。这些复合材料在低速压缩和高速冲击试验中展现出了类似的微裂纹扩展机制，进一步验证了生物组织的吸能原理。与传统的多孔吸能结构设计（如蜂窝结构）相比，这些仿生复合材料不仅保持了较高的刚度和强度，还展现出更优异的抗冲击和能量吸收性能。
应用前景
这种仿生复合材料具有广阔的应用前景。在航空航天领域，它们可以用于制造更轻便、更安全的头盔和装甲；在军事领域，这些材料可以显著提高防护装备的效能；在运动装备中，它们可以用于制造更加耐用的护具；在交通安全领域，这些复合材料可以用于车辆的碰撞保护结构，减少事故中的伤害。
其他仿生材料
除了基于角和蹄组织的仿生复合材料，科学家们还从其他生物结构中获取灵感。例如，雀尾螳螂虾的锤状指附足具有出色的抗冲击性能。研究人员通过逆向工程技术和3D打印技术，设计并制造出具有类似几何形态的轻质仿生抗冲击材料。这种材料不仅具有优异的抗冲击性能，其曲面型结构还增加了材料的应用范围。
此外，上海交通大学材料科学与工程学院的研究团队通过将柔性的可编程自然纤维与稳定的石墨烯超结构相结合，开发出一种新型兼具低冲击应力与高机械吸能的超软抗冲击超材料。这种材料在航空航天、国防等高端应用领域具有巨大的潜力。
仿生制造技术为开发抗冲击高吸能复合材料提供了一种新的思路。通过模仿自然界的生物结构，科学家们可以设计出具有卓越性能的新型材料，满足各个领域对高性能防护材料的需求。随着技术的不断进步，未来我们有望看到更多基于仿生原理的创新材料在实际应用中的广泛使用。
