纽约州立大学布法罗分校任申强教授课题组在仿生加工超高分子量聚乙烯上取得新进展

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超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因其具有优异的能量吸收性，塑性以及拉伸强度/重量比等优点使其具备很好的应用前景，例如军事用的防弹材料。然而，其非均匀的微观结构，结晶相/非结晶相的分布特点制约了其冲击性能的提升，限制了其在防护方面的应用。因此，如何通过改进加工工艺调控结晶相分布、分子链的排列，对于增强机械性能非常重要。仿生设计给予一种思路，即通过借鉴大自然既有的生物结构，改善材料的力学性能。

贝壳表层坚硬可以抵抗冲击，以及内部具有良好的抗冲击性能，因而具备优异的抗冲击性能。基于贝壳梯度的结构特点，任申强教授团队通过在热压超高分子量聚乙烯粉末过程中引入梯度的温度分布，从而使其在凝固成型过程中具备梯度的结晶分布，提高了其Izod 冲击强度，可达到1420 J/m。结晶度沿着抗冲击侧到另一侧的分布由粉末X射线衍射表征技术确定。相场耦合的有限元模拟进一步探究了温度梯度对结晶度分布的影响。为了进一步提升表层的硬度从而提高抗冲击性，该团队使用了超高应变速率激光喷丸技术，引入残余压应力，进一步诱导高的结晶度以及诱发表层的相变。这种表层强化提高了材料的机械强度。

以上相关成果分别发表在ACS Applied Materials & Interface上。论文的第一作者为安璐博士，目前在纽约州立大学布法罗分校博士后工作，共同第一作者为纽约州立大学布法罗分校机械与航空工程系硕士生邵泽凡，通讯作者为任申强教授，共同通讯作者为 Danial Faghihi教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c15615

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