5月15日電 據(jù)中國國防科技信息網(wǎng)報道，美國國防部對于美國大學一個項目資助750萬美元，研究模仿蝦鉗的內(nèi)表皮分層螺旋結(jié)構(gòu)設計的新型碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料，該材料可用于飛機和汽車的框架、防彈衣和體育器材如足球頭盔。

美國加州理工大學的研究團隊發(fā)現(xiàn)螳螂蝦的鉗子極強、極輕，可以摧毀軟體動物的殼以及螃蟹的外骨骼，其水下加速度超過0.22英寸口徑的子彈。研究小組發(fā)現(xiàn)螳螂蝦的鉗子是高度復雜的結(jié)構(gòu)，由三個特殊部分組成。這三個部分協(xié)同工作，比很多工程陶瓷材料更硬。其中，內(nèi)表皮區(qū)域部分是螺旋狀的礦化纖維層，起減震器的作用。

新的碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料模仿蝦鉗的內(nèi)表皮分層螺旋結(jié)構(gòu)設計。該研究團隊使用實驗和計算方法發(fā)現(xiàn)螺旋架構(gòu)可以在受到?jīng)_擊時減少沿復合面板厚度方向的損傷擴展，導致韌性的增加。新的碳復合材料結(jié)構(gòu)將螺旋層安排在10度至25度三個不同的角度。兩個控制結(jié)構(gòu)包括一個單向?qū)雍鸵粋€目前航空航天碳復合材料的典型準各向同性結(jié)構(gòu)層，隨后各層在不同的方向旋轉(zhuǎn)90度。

為了測試不同結(jié)構(gòu)的強度，研究人員利用類似于飛機行業(yè)的落錘沖擊測試系統(tǒng)評估凹痕損傷、外部視覺損傷和內(nèi)部損傷。新的螺旋結(jié)構(gòu)比工業(yè)典型準各向同性結(jié)構(gòu)凹痕損失少20%到50%，同時纖維分裂與主要外部纖維損傷和穿刺現(xiàn)象減少。使用超聲波，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的準各向同性樣品發(fā)生災難性的內(nèi)部斷裂，但新的螺旋結(jié)構(gòu)試樣內(nèi)部的損傷僅發(fā)生在橫向擴展結(jié)構(gòu)中。在壓縮試驗中，壓裂后，新的螺旋結(jié)構(gòu)材料比傳統(tǒng)的準各向同性材料多約15%到25%的殘余強度。該團隊使用有限元建模來理解失效模式并對結(jié)構(gòu)進行修正。按螺旋模型設計的碳復合材料可用于飛機和汽車的框架、防彈衣和體育器材如足球頭盔。該項研究是由美國空軍科學研究辦公室和美國國家科學基金會資助，并繼續(xù)獲得了國防部750萬美元的資助。(胡燕萍）