近年来，自然界中生物的自适应进化现象为高性能结构材料的研发提供了丰富的灵感。这些生物通过亿万年的进化，形成了独特且高效的结构，如穿山甲壳的分段层状结构、豪猪刺的核壳多孔结构、海龟壳的薄片堆叠结构以及犀牛角的卷曲柱状结构。这些结构不仅实现了轻量化，还兼具高强度、高韧性与高抗冲击的卓越特性。其中，鲍鱼这一古老的软体动物，其坚硬的外壳更是生物进化与结构设计的典范。鲍鱼壳微观结构类似于建筑中的砖泥结构，其中砖块由坚硬的矿物质构成，而灰泥则由柔软的有机物构成。这种砖泥结构的独特之处在于，它能够通过断裂、剪切、粘附以及互锁等多种机制来耗散能量，从而达到远超单一材料成分的防护效果。因此，仿珍珠层结构无疑为开发新型高性能抗冲击结构材料提供了新的思路。

  鉴于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队研发出一种仿珍珠层剪切变硬胶基智能材料。这种材料采用双向冷铸与氮气退火工艺，通过自组装形成了独特的二维纳米片蒙脱土（MMT）/MXene层状网络，并利用超声浸渍与真空干燥技术，将具有应变率敏感特性的剪切变硬胶（SSG）引入其中，制备出一种集能量耗散、多轴传感、自我修复与焦耳热疗等多种功能于一体的智能材料。仿珍珠层结构的设计赋予了这种智能材料优良的冲击防护性能，能够将高达1308.1 N的冲击力大幅减低至370.4 N，其性能超越了多种商用工程材料。通过有限元分析，进一步揭示了该材料在裂纹扩展、孔隙压实与砖块滑移等多个尺度上的协同耗能机制。此外，借助MXene各向异性导电网络，该智能材料可以作为电子皮肤，在智能感知与热管理方面发挥重要作用。这一独特的仿生设计策略为轻质防护装甲与可穿戴电子设备领域提供了新的思路。相关研究成果以“Nacre-inspired MMT-MXene integrated shear-stiffening gel composites for personal safeguard and multi-functional electronics”为题，发表在国际Top期刊《Composites Part B: Engineering》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士生李子木，通讯作者为龚兴龙教授与王胜副教授。 

【智能材料结构设计】

图1 仿生结构材料设计

图2 新型双向冷铸工艺

【智能材料力学表征】

图3 复杂环境适应性

图4 应变率敏感力学性能

图5 冲击载荷防护性能

图6 多尺度协同耗能机理

【智能材料力-电-热耦合研究】

图7智能感知与热管理功能研究

【智能防护装备研发】

图8 智能防护装备研发

  原文链接：

  Zimu Li, Sheng Wang, Wenhui Wang, Jianpeng Wu, Zhentao Zhang, Danyi Li, Jinyu Yang, Junshuo Zhang, Yu Wang, Xinglong Gong. Nacre-inspired MMT-MXene integrated shear-stiffening gel composites for personal safeguard and multi-functional electronics. Composites Part B: Engineering 2024, 111526. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111526.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111526