来源：“高分子科技”公众号
在航空航天、交通运输及高端电子装备等领域，防护结构往往需要同时承受瞬态冲击、局部穿刺以及复杂温度环境等多重载荷。然而，传统刚性防护材料通常依赖高强度和高模量实现冲击抵抗，却难以兼顾轻量化、柔顺性和环境适应能力；柔性耗能材料虽然具有良好的变形能力，但承载能力和瞬态防护性能仍存在不足。此外，现有仿生结构多采用离散排列或单一方向取向设计，难以有效调控复杂载荷下的应力传递和裂纹扩展。因此，如何通过结构设计与动态材料协同，实现冲击能量耗散、应力重新分布以及环境响应调控，成为智能防护材料领域亟待解决的重要科学问题。
针对上述挑战，中国科学技术大学王胜副教授团队联合澳大利亚伍伦贡大学、兰州大学，提出了一种仿生异质扭转砖–泥结构设计策略，实现了复杂力–热环境下的自适应冲击防护。
2026年10月1日，相关研究成果以“Bioinspired Twisted Brick–Mortar Composites for Adaptive Thermo-Mechanical Impact Protection”为题，发表于国际权威期刊《Advanced Materials》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士生李子木，通讯作者为王胜副教授、龚立平博士和张宝强副教授，龚兴龙教授、李卫华教授、张兴义教授给予了指导，刘帅博士、李嘉豪、张镇涛、吴建鹏博士、王文慧博士参与相关研究工作。
【仿生连续扭转砖–泥结构设计】
天然珍珠层具有优异抗冲击性能，其关键并非来源于单一高强度组分，而是依赖硬质片层与柔性界面之间的协同作用，实现载荷传递、裂纹调控和能量耗散。受此启发，研究团队构建了一种具有连续取向变化特征的三维仿生扭转砖–泥结构。该结构通过沿厚度方向逐渐旋转的硬质单元形成连续扭转骨架，并利用柔性剪切变硬胶填充单元间隙，构筑动态响应界面。在冲击过程中，连续扭转骨架能够通过空间取向变化调节应力传播路径，使局部冲击载荷向更大区域扩散。同时，剪切变硬胶界面承担动态传递和耗能作用，实现刚性承载结构与柔性耗能机制的协同，为高效冲击防护提供新的结构设计策略。
图1
【连续取向场调控裂纹扩展与应力传递】
连续扭转结构进一步改变了材料内部的应力分布和裂纹演化模式。由于相邻结构单元具有连续变化的空间取向，裂纹扩展过程中需要不断跨越不同方向的硬质单元和柔性界面，难以沿单一方向快速贯穿。实验观察和数值模拟表明，相比传统均质结构和层状结构，连续扭转砖–泥结构能够诱导裂纹发生偏转、桥联以及非平面扩展，有效延长裂纹传播路径，提高断裂耗能能力。同时，有限元分析揭示了扭转角度、结构参数以及加载速率对材料动态响应行为的影响，表明其优异防护性能来源于结构设计、材料响应和动态载荷之间的协同耦合。
图2
【动态界面赋予跨尺度速率响应能力】
为了进一步提升材料在高速冲击环境下的适应能力，研究团队引入剪切变硬胶作为动态响应界面，使复合结构具备显著的速率依赖特性。在低速变形过程中，剪切变硬胶保持较好的柔顺性，有利于结构变形和能量缓冲；当受到高速冲击时，其内部动态网络快速响应，使材料刚度和承载能力迅速提升，从而实现柔性适形和冲击硬化的动态转换。结合实验表征和理论分析，研究发现，硬质骨架与动态界面之间的协同作用能够促进载荷传递和界面耗能，而剪切变硬胶内部可逆网络重构进一步提供了快速冲击过程中的能量耗散通道。由此，材料建立了从宏观结构调控到微观界面响应的多尺度防护机制。
图3
【光热调控实现力–热环境自适应防护】
实际服役环境中，防护材料往往面临温度变化带来的性能波动。针对这一问题，研究团队进一步利用碳纳米管的光热转换能力，实现了材料力学状态的外部调控。在光照作用下，光热效应能够诱导结构局部升温，使聚合物骨架发生可逆软化，提高材料变形能力和冲击缓冲性能；移除光源后，材料随着温度恢复重新获得较高承载能力。该策略突破了传统防护材料力学性能固定的限制，使材料能够根据外部环境变化在柔性缓冲和高刚承载状态之间实现动态调节。
图4
【冲击后形态恢复与可编程防护应用】
除冲击防护外，该仿生复合结构还表现出冲击后的形态恢复能力。高速冲击产生的局部变形可通过光热刺激逐渐恢复，其机制来源于聚合物结构的热响应行为以及动态网络的应力释放与重构。结合增材制造技术，该材料能够根据复杂应用场景实现结构定制，进一步拓展至柔性连接件、异形防护壳体等应用方向。其兼具结构可设计、性能可调节以及冲击后可恢复等特点，为下一代智能防护装备提供了新的设计思路。
图5
总体而言，本研究提出了一种仿生连续扭转砖–泥复合材料设计方法，通过连续取向结构调控应力传播与裂纹扩展，通过剪切变硬动态界面实现高速冲击耗能，并利用光热响应赋予材料力学状态调节和形态恢复能力。该工作建立了一种结构设计、动态材料和外部刺激协同作用的自适应防护体系，为突破传统防护材料性能固定、环境适应能力不足等限制提供了新的解决方案，并为航空航天、交通装备以及高端电子器件等领域的智能力–热防护结构设计提供了新的仿生范式。
原文链接：Zimu Li, Liping Gong*, Shuai Liu, Jiahao Li, Zhentao Zhang, Jianpeng Wu, Wenhui Wang, Baoqiang Zhang*, Weihua Li, Sheng Wang*. Bioinspired Twisted Brick–Mortar Composites for Adaptive Thermo-Mechanical Impact Protection. Advanced Materials 2026, e75226.
https://doi.org/10.1002/adma.7522