無論對于航空航天飛行器還是船舶汽車，動態(tài)載荷相比于靜態(tài)載荷出現(xiàn)得更為廣泛且危害更為嚴重。發(fā)展具有優(yōu)異沖擊防護性能的新型材料，對空間飛行器應對碎片沖擊防護、防彈裝備在高速彈丸沖擊下對單兵的防護、車輛在爆炸或高速撞擊情況下對乘員的防護等應用領域具有重要意義。近年來，研究人員正從自然界中一些具有優(yōu)異力學性能的生物復合材料的精細微觀結(jié)構(gòu)中得到靈感和啟發(fā)，建立復合材料的“組分-結(jié)構(gòu)-性能”關系。例如，之前有研究發(fā)現(xiàn)，一束鉛筆粗細的蛛絲完全能拉停一架飛行中的波音747飛機。

2018年6月1日，工學院韋小丁課題組在生物和仿生復合材料領域國際知名期刊Acta Biomaterialia上發(fā)表了題為“Dynamic shear-lag model for understanding the role of matrix in energy dissipation in fiber-reinforced composites”的研究論文。與目前抗沖擊復合材料追求高剛度、高強度的連續(xù)纖維的設計思路不同，韋小丁課題組發(fā)現(xiàn)，應力波在連續(xù)纖維中傳播過程中會很快同步，從而導致基體材料不能有效參與沖擊能量耗散。而自然界中許多生物復合材料卻往往具有精巧設計的非連續(xù)交錯結(jié)構(gòu)。該研究通過建立動剪滯理論模型分析了纖維增強復合材料中粘彈性基體在復合材料抗沖擊性能中的重要作用，首次揭示了基體力學性質(zhì)以及微觀交錯結(jié)構(gòu)對沖擊能量耗散過程中起到的重要作用，有助于理解生物復合材料如貝殼、蜘蛛絲、骨骼等具有優(yōu)異的抗沖擊性能的內(nèi)在機理。

圖1. 擁有經(jīng)過精細設計的交錯結(jié)構(gòu)的復合材料能夠極大的提高基體材料在沖擊能量耗散中的貢獻，從而優(yōu)化宏觀復合材料的抗沖擊性能。

韋小丁為該論文通訊作者，博士生劉俊杰為第一作者。此項研究得到了中組部“青年千人計劃”、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和北京大學工程科學與新興技術高精尖創(chuàng)新中心的支持。