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東南大學(xué)水泥超材料團(tuán)隊(duì)《AM》：仿生混凝土超高沖擊韌性媲美合金鋼
仿生混凝土超高沖擊韌性媲美合金鋼
水泥基材料是目前應(yīng)用最廣泛的工程材料，提高其韌性與抗沖擊性是實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下工程結(jié)構(gòu)安全服役的重要保障。水泥基材料具有典型的脆性特征，如何實(shí)現(xiàn)水泥基材料的高強(qiáng)、高韌、抗沖擊一體化目標(biāo)，仍是工程領(lǐng)域內(nèi)的一大重要挑戰(zhàn)。天然生物材料（貝殼、竹子、骨頭等）經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，已經(jīng)形成了精細(xì)復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多重優(yōu)異力學(xué)性能的完美統(tǒng)一，可為先進(jìn)水泥基材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供重要靈感。然而，現(xiàn)有的仿生策略存在工藝流程復(fù)雜、宏量制備困難、仿生結(jié)構(gòu)單一等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了水泥基超材料的發(fā)展。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）作為新興的人工智能重要分支，具有計(jì)算成本低、模型獨(dú)立性強(qiáng)等方法優(yōu)勢(shì)，已成功應(yīng)用于仿生結(jié)構(gòu)材料的性能預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)反向設(shè)計(jì)研究，這為仿生水泥基超材料的智能設(shè)計(jì)提供了重要思路。
近日，東南大學(xué)佘偉教授團(tuán)隊(duì)選用貝殼珍珠層和天然竹子作為仿生模板，采用常見(jiàn)鋁酸鹽水泥和高分子聚合物作為原材料，借助ML輔助反向設(shè)計(jì)方法，提出一種高效快速、可擴(kuò)展的仿生設(shè)計(jì)方法，成功制備出一種在微細(xì)觀尺度上具有梯度磚-泥（BM）結(jié)構(gòu)的仿生水泥基材料。該仿生水泥基材料具有優(yōu)異的抗折強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能，其靜態(tài)韌性和沖擊抵抗力較普通水泥基體提升約700和600倍，抗沖擊性能甚至超過(guò)了自然巖石、纖維增強(qiáng)水泥基材料（FRC）和部分合金。該種仿生水泥基超材料在軍事防護(hù)工程方面具有巨大潛力，所提出的方法也可為仿生力學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。該工作以“Biomimetic Mechanical Robust Cement-Resin Composites with Machine Learning-Assisted Gradient Hierarchical Structures”為題發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。東南大學(xué)為論文第一單位，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士后吳彰鈺和浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院博士后潘浩為論文共同第一作者，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文唯一通訊單位。
No.1
設(shè)計(jì)制備策略
將貝殼BM結(jié)構(gòu)和竹子梯度結(jié)構(gòu)集成到一種材料中進(jìn)行梯度BM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用鋁酸鈣水泥（CAC）作為無(wú)機(jī)相，聚乙烯醇（PVA）和環(huán)氧樹(shù)脂（EPR）作為有機(jī)相。將剪切交聯(lián)強(qiáng)化后的CAC/PVA復(fù)合基體作為“磚”結(jié)構(gòu)，通過(guò)風(fēng)力輔助造粒工藝實(shí)現(xiàn)EPR（“泥”結(jié)構(gòu)）在CAC/PVA復(fù)合基體表面的均勻包裹，并將獲得的顆粒作為初始BM結(jié)構(gòu)；通過(guò)將顆粒篩分并進(jìn)行不同尺寸顆粒分層排布來(lái)形成初始梯度BM結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過(guò)熱壓工藝實(shí)現(xiàn)CAC/PVA復(fù)合基體快速水化硬化、EPR快速固化成膜以及初始顆粒的壓力誘導(dǎo)取向變形，從而獲得最終的梯度BM結(jié)構(gòu)與宏觀塊體材料。所提出的制備方法高效、穩(wěn)定，并能夠?qū)崿F(xiàn)仿生梯度復(fù)合材料的大尺度宏量制備，材料內(nèi)部沿厚度方向上呈現(xiàn)出明顯的梯度BM結(jié)構(gòu)特征。
圖1 仿生梯度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備
No.2
ML輔助反向設(shè)計(jì)方法
開(kāi)發(fā)了一套基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）和遺傳算法（GA）的精細(xì)化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)ML方法來(lái)進(jìn)行梯度BM結(jié)構(gòu)反向優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先通過(guò)大量試驗(yàn)建立了梯度復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)；其次通過(guò)BPNN建立了梯度BM結(jié)構(gòu)參數(shù)（“磚”的梯度分布與“泥”的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和材料強(qiáng)度之間的映射關(guān)系，并驗(yàn)證了正向預(yù)測(cè)模型的可靠性；最后通過(guò)GA獲取了最優(yōu)彎曲強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的梯度BM結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外，通過(guò)對(duì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)得的彎曲強(qiáng)度與ML模型預(yù)測(cè)的彎曲強(qiáng)度范圍相吻合，并進(jìn)一步與其他復(fù)合材料（非BM結(jié)構(gòu)、非梯度BM結(jié)構(gòu)、不同分布梯度BM結(jié)構(gòu)）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明ML反向設(shè)計(jì)所得梯度復(fù)合材料具有最優(yōu)彎曲強(qiáng)度與韌性。
圖2 仿生梯度復(fù)合材料的ML反向優(yōu)化設(shè)計(jì)
No.3
準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能
為了探究梯度BM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)韌化效果，對(duì)比研究了純水泥基體（Cement）、無(wú)樹(shù)脂非BM結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（Homo）、BM結(jié)構(gòu)非梯度復(fù)合材料（Hetero）、梯度BM結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（Gradient）的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能。Gradient組的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到顯著強(qiáng)化，其彎曲強(qiáng)度達(dá)到66.1 MPa，彎曲韌性達(dá)到854.2 kJ/m3，維氏硬度達(dá)到609 kgf/mm2，均遠(yuǎn)高于Homo和Hetero組。Gradient組的強(qiáng)度與韌性分別是Cement組的6倍和700倍左右，其強(qiáng)韌性也優(yōu)于超高性能混凝土（UHPC）并接近無(wú)宏觀缺陷水泥（MDF）。仿生梯度復(fù)合材料的強(qiáng)韌機(jī)理主要包括基體局部密實(shí)效應(yīng)、PVA的氫鍵與化學(xué)交聯(lián)強(qiáng)化效應(yīng)、EPR的界面粘結(jié)強(qiáng)化效應(yīng)、梯度BM結(jié)構(gòu)的裂紋偏轉(zhuǎn)與裂紋尖端屏蔽效應(yīng)。
圖3 仿生梯度復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能
No.4
抗沖擊性能
為了評(píng)估仿生水泥基材料的抗沖擊性能，進(jìn)一步開(kāi)展低速落錘沖擊試驗(yàn)和高速?gòu)椀罌_擊試驗(yàn)來(lái)分別研究其低/高速?zèng)_擊強(qiáng)度、韌性及應(yīng)力-應(yīng)變行為，并與其他材料（巖石、合金等）進(jìn)行對(duì)比。落錘沖擊結(jié)果顯示：Gradient組的峰值沖擊力（23.0 kN）和沖擊能量（17.8 J）均大幅高于Cement、Homo、Hetero組以及石英石、花崗巖、大理石、玄武巖等自然界巖石。彈道沖擊結(jié)果顯示Gradient組在經(jīng)過(guò)53.3 m/s的高速?zèng)_擊后幾乎完好無(wú)損，其表面的小沖擊坑直徑僅為3.1 mm，接近于合金鋼（2.6 mm）。高速?zèng)_擊下的損傷演化模擬結(jié)果表明：材料內(nèi)部的梯度BM結(jié)構(gòu)起到了三維空間上的沖擊應(yīng)力分散作用。Gradient組的比沖擊能量（8.5 J/(g/cm3)）和比沖擊力（10.9 kN/( g/cm3)）分別是Cement組的600倍和80倍左右，并均優(yōu)于UHPC、MDF、合金鋼、陶瓷、巖石等現(xiàn)有的工程材料以及部分已報(bào)道的仿生復(fù)合材料。
圖4 仿生梯度復(fù)合材料的抗沖擊性
相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFF0500802）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52278247）、國(guó)家資助博士后研究計(jì)劃（GZB20230139）、中國(guó)博士后面上基金（2023M740609）、江蘇省卓越博士后計(jì)劃（2023ZB364）和江蘇蘇博特新材料股份有限公司的支持。
供稿人：黃鵬
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