比翱工程实验室丨猫的"九条命"启发多功能仿生复合超构材料的创新研究

在自然界中，由于生物需求，哺乳动物的特定身体部位已经进化到适合的结构和功能配置。众所周知，猫有“九条命”，是因为猫科动物能够承受从高楼跳跃和跌落而不会受到致命伤害，这在很大程度上归功于它们的抗冲击爪垫。猫的爪垫具有多尺度胶原纤维网络和脂肪团室的复杂结构。浙江大学材料科学与工程学院复合材料科学创新研究所和英国布里斯托大学复合材料研究所双方团队提出了一种新型层状复合材料，该复合材料由涂有氧化石墨烯(GO)/多壁碳纳米管(MWCNT)的多孔聚氨酯(PU)主网络骨架、具有GO/MWCNTs的冷冻干燥构造的二级膜网格配置和嵌入聚硼二甲基硅氧烷(PBDMS)基质中。具有多尺度网络结构的猫爪和这种仿生层状复合材料的制造示意图。(a) 一只奔跑的猫和脚上厚厚的爪垫。(b,c) 猫爪的代表性皮下组织学图像 [8]。(d) 通过浸涂、冷冻干燥和流动填充工艺制造分层复合材料的示意流程图。(e) 100 ×100 ×8 mm 复合垫的图像。材料的非凡柔韧性 (f) 扭曲成任意角度，(g) 弯曲成管状，(h) 作为护腕佩戴。该新型复合材料的设计灵感来自猫爪中存在的胶原蛋白结构，复合材料具有显著的抗蠕变性、承重、形状恢复和刚度调整能力。更重要的是，该层状复合材料在准静态循环压缩和动态机械载荷作用下具有显著的高能量耗散，如振动（阻尼能力：与纯基体相比增加160%）和冲击（冲击能量吸收：∼ 100%）。 在有限元模拟的支持下，研究团队对多尺度变形机理进行了分析和讨论。在复合材料制造过程中产生的主要纤维和次级膜网络对类脂基质起到多尺度限制作用，因此具有可逆B-O键的基质可以显著地促进异常的能量耗散特性。与猫爪类似，这种层状复合材料也柔软、有弹性，在运动和广泛的工程场景中显示出安全佩戴设备的巨大应用潜力。通过有限元建模在压缩下层状复合材料的能量耗散机理。分别为PUCOM和PUCOIM模型的 (a,d) Von Mises应力 (b,e) Von Mises应变和(c,f)弹性应变能量密度的分布颜色等高线。(h)示意图显示了多尺度流体静力系统在每个充满聚合物基质和膜的隔离小室中提供的能量耗散机理，突出了可逆和动态共价B-O键在PBDMS聚合物中的能量耗散作用。该项研究的主要成果包括:• 提出了一种新的分层网络结构复合概念，它代表了猫爪中存在的多尺度胶原纤维网络的人工化石类似物。• 层状复合材料具有卓越的阻尼能力（比耗散矩阵大160%）和接近100%的冲击能量吸收。 

• 通过对复合材料微观结构的有限元模拟，深入了解了支撑这种不寻常能量吸收性能的变形机理。

该复合材料由浸涂、冷冻干燥和流动填充制造工艺组合而成。力学测试和有限元分析的所有结果表明，这种分层复合材料在振动和冲击下具有显著的能量耗散。所提议的复合材料还具有硬化模量、自愈合性和柔韧性，使其成为一种有前途的材料，例如多功能和可穿戴运动服装中的个人防护应用。未来的工作将致力于优化泡沫选择、改造主要骨架、裁剪二次膜、促进PBDM的制造程序以及评估其他基质以进一步提高能量，这种分层材料系统的阻尼和多功能性能受到猫爪结构的极大启发。

研究成果发表在Applied Materials Today 25(2021) 101222，doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101222，可通过阅读原文查看论文链接。

作为一个感伤的音符，此项研究的许多工作都是从观察一只叫“Twiggy”的小猫的爪子中得到启发的，Twiggy不幸的在很小的时候就因为一种罕见的癌症离开了我们。她可能真的想知道人类在她的爪子里发现了什么如此有趣，愿她得到保佑。研究团队在论文里感谢和怀念了Twiggy。

多孔材料物理特性表征技术领先者

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