近些年来，通过合成不同壳结构包含液体芯材的微胶囊成为开发新型多功能材料的一个切实可行的途径。目前，研究者已经开发出许多功能新颖的微胶囊技术，并成功开发出了基于此类微胶囊的损伤自修复-自显示复合材料与涂层，磨损自修复-自润滑高分子复合材料，杀菌抗病毒涂层，被动式控温热管理材料等体系。然而在大多数的情况下，由于微胶囊自身强度低，复合材料中混入的微胶囊会显著的降低基体自身的力学性能。此外，引入微胶囊的复合材料（如汽车和航空复合材料结构等）在其服役期间会经受静态以及动态冲击载荷的影响，这使得研究单个微胶囊以及微胶囊填充的复合材料在不同加载工况下的力学性能成为该类材料设计的一个基本问题。

  近日，杨晶磊教授团队系统的分析了单个微型核壳结构以及微胶囊填充树脂复合材料在不同应变率加载下的理论模型，试验分析，数值优化以及模型验证。制备出了不同壳材的微胶囊（图1），并通过化学镀的方式成功制备了金属壳微胶囊，通过对单个微胶囊准静态压缩与动态冲击试验的研究，发现金属壳微胶囊的强度比传统结构微胶囊的强度提高了大约2个数量级（图1d）。

图1. (a)(b)(c) 不同微胶囊的合成示意图；(d)试验与仿真结果中不同微胶囊的强度与应变率的关系。

  该团队不仅提出了核壳结构微胶囊变形的理论模型，也分析了颗粒增强复合材料的变形与失效机理。在将不同含量的微胶囊引入树脂基体后，研究发现（图2），普通微胶囊的引入会显著降低树脂基体的力学性能。不同的是，金属壳微胶囊在不显著改变基体力学性能的前提下，依然可以实现多功能液体的释放，从而得以实现不同的功能（如自修复功能等）。

图2. 不同含量微胶囊填充的树脂基复合材料在不同应变率下的压缩强度

  基于对试验结果和样品断面的分析，该团队提出了微胶囊填充的树脂基复合材料在加载过程中裂纹的扩展形式以及微胶囊及其界面的失效模式。通过有限元仿真（图3）对提出的失效模式进行验证，为微胶囊填充的树脂基复合材料的设计与优化做了基础性工作，并开拓了微胶囊力学新的思路和方向，同时也扩展了微胶囊及其复合材料的应用领域。

图3. (a)树脂基体，(b)金属微胶囊，(c)金属壳和cohesive单元，(d)金属壳增厚微胶囊的Von Mises应力分布。

  以上成果发表在固体力学传统期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids （J MECH PHYS SOLIDS, 2020, 139, 103933）上。论文第一作者为南洋理工大学张新博士，通讯作者为香港科技大学杨晶磊教授，共同通讯作者为南洋理工大学Yang En-Hua教授。

  论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509620301691