防護用工程結構材料通常面臨復雜的服役環境。現有的工程防護材料多采用層壓板結構、晶胞結構以及三明治結構等設計方案。相關材料雖然具有優異的抗沖擊性能，但仍受限于層間開層、質量過重以及強韌互斥等問題隱患，逐漸難以滿足日益復雜的服役環境需求。

自然界中的生物裝甲為研制抗沖擊材料提供了豐富的靈感來源。其中，鱗片作為魚類的最外部“防護裝備”，起著保護底層軟組織的關鍵作用，引起了研究人員廣泛關注。在結構上，魚鱗中的膠原納米纖維通常單向聚集成薄層進而螺旋堆疊組裝為有序布利岡（Bouligand）結構并通過纖維基元滑移、形變、扭轉和再定向等實現增韌。除了這種單一布利岡結構，近年研究人員還在“古化石”腔棘魚中發現了獨特的雙重布利岡結構，它由兩套單一布利岡結構互相嵌套構成。研究人員通過準靜態力學測試，發現該結構相比于傳統單一布利岡結構（如巨骨舌魚鱗片的結構）具有更為優異的力學性能。然而，目前關于雙重布利岡結構的動態力學性能研究以及更廣泛的布利岡大類結構在寬譜加載速度下的防護性能研究依然缺乏。深入挖掘生物布利岡結構智慧，設計制備可以在復雜環境下使用的防護工程結構材料具有重要的科學意義與實用價值。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊基于前期在仿生布利岡結構材料研究基礎上，協同考慮纖維結構設計與組分調控，提出了一種獨特的梯度雙重布利岡（DT-Bou-G）結構設計思路，探索通過協同強韌化機制實現寬譜加載速度下高性能防護結構材料的可行性（圖1）。研究團隊以軟質熱塑性聚氨酯（TPU）和硬質聚乳酸（PLA）為基本模型原料，通過雙料熔融噴頭3D打印技術，實現目標材料組分由硬PLA向軟TPU逐漸轉變（梯度變化）并最終構筑出新型仿生DT-Bou-G復合材料。該復合材料較正交結構（UL）、單一布利岡結構（BOU）、雙重布利岡結構（DT-Bou）以及雙重布利岡交替結構（DT-Bou-A）材料而言，在準靜態力學測試（單邊開口梁）、低速沖擊測試（擺錘沖擊和落錘沖擊）和高速沖擊測試（子彈沖擊）中都展現出更強的防護性能。相關研究成果以“Gradient double-twisted Bouligand structural design for high impact resistance over a wide range of loading velocities”為題發表在國際期刊《科學進展》上，論文的第一作者是校化學系博士后文韶萌和近代力學系博士生高偉韜，通訊作者為合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員陳思銘、近代力學系教授鄭志軍和俞書宏院士。

(關鍵字：PLA TPU)