北京
IT时代网10月25日消息，极端服役环境下，户外装备往往同时面临力冲击、热辐射等多重载荷，传统防护材料通常针对单一环境因素设计，抗冲击与热管理功能相对独立，难以根据外部变化主动调节。针对这一问题，中国科学技术大学龚兴龙教授团队受海洋生物多尺度防护机制启发，提出一种仿生非对称材料设计策略，将应变率响应、磁场调控与非对称热管理集成于同一材料体系，实现复杂力—热环境下的可编程防护，相关成果发表于《美国国家科学院院刊》。
天然珍珠层的抗冲击性能来源于硬质片层与柔性界面之间的多尺度协同，而棘皮动物可通过内部动态网络重构实现组织刚度的快速调节。受此启发，研究团队利用弹性网络约束剪切变硬材料，在抑制材料蠕变的同时保留其应变率响应特性，并引入磁性颗粒构建磁偶极网络，再经表面自组装构筑仿珍珠层结构，形成具有力学与热学功能分区的非对称材料体系。
在冲击载荷作用下，硬质片层承担并扩散局部载荷，柔性界面则通过层间滑移、裂纹偏转与桥联等机制缓解应力集中并耗散冲击能量。动态聚合物网络对应变率高度敏感，随着加载速率提高，分子链运动与动态键重构受到限制，材料由柔顺状态转向高刚度响应，产生显著的冲击硬化效应；外部磁场进一步增强磁偶极相互作用，提供主动调控通道。
非对称表面具有差异化的光学与热响应，可通过辐射反射、吸收及光热转换调节热量传递，从而实现力学防护与热管理的协同。团队进一步构建磁控穹顶防护结构，施加外部磁场后，预设磁化区域在磁力矩驱动下发生定向变形，使结构由平面状态可逆隆起形成穹顶构型，并通过面外变形与载荷重分配降低局部应力集中。
论文同时指出，通过调节非对称功能表面的朝向及穹顶构型，可进一步改变辐射热传递路径，实现不同服役条件下冲击缓冲与热调控功能的可编程切换。这为突破传统防护材料力学性能固定、功能单一以及力学防护与热管理相互割裂等局限提供了新的研究思路。
编辑：林一舟
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