来源：“力学人”公众号
从精密仪器到户外装备，防护系统在实际服役中往往要同时面对机械冲击与热辐射。传统防护材料的力学性能和结构形态通常较为固定，难以同时满足低速载荷下的柔顺性、高速冲击下的缓冲耗能需求，以及复杂热环境中的调节要求。如何让材料既能随加载速率改变力学响应，又能主动调整结构形态和热管理状态，是智能防护领域面临的重要力学挑战。
针对这一挑战，中国科学技术大学龚兴龙教授团队从海洋生物的多尺度防护机制中获得启发，提出仿生非对称设计策略，实现可编程力-热防护。相关成果以“Magnetically guided programmable thermo-mechanical protection enabled by biomimetic asymmetric design”为题发表于美国科学院院刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）。
自然界中的生物防护结构为多功能材料设计提供了重要启发。珍珠层依靠硬质片层与柔性界面的协同作用，实现裂纹偏转与能量耗散；部分棘皮动物则能够通过组织结构变化调节局部刚度。受此启发，研究团队以剪切变硬胶为基础，引入弹性网络以抑制蠕变，并加入磁性颗粒构建磁偶极网络。随后，团队利用自组装形成仿珍珠层表面，制备出具有非对称功能的磁响应弹性体，将动态聚合物网络、层状界面与磁响应单元整合起来，为后续的冲击硬化、磁控变形和光热调节提供材料基础。
图1 仿生非对称弹性体的结构设计与制备
材料在冲击下的表现，既取决于自身的速率响应，也与裂纹扩展和界面耗能过程密切相关。快速加载时，聚合物链段运动和动态键重构受到限制，剪切变硬网络因而呈现更强的力学约束。与此同时，仿珍珠层界面可通过裂纹偏转、界面滑移和柔性相桥联改变裂纹路径，分散局部应力并促进能量逐步耗散。磁偶极网络则为材料引入额外的主动调节方式，使应变率诱导的被动刚化与磁场调控相互配合。
图2 材料的动态力学响应与多尺度耗能机制
在被动防护之外，研究团队进一步探索利用磁场主动改变材料形态。通过预设不同区域的磁化方向，并结合材料的自修复能力，可对变形模式进行编程。施加外部磁场后，材料内部磁矩与外场相互作用产生磁力矩，驱动结构发生定向弯曲和形态重构。为解释这一过程，团队建立了材料的磁-力耦合模型，并通过多物理场有限元模拟分析磁场分布、磁化方向与宏观变形之间的关系。
图3 磁控构型变形及多物理场有限元模拟
为描述磁场如何驱动材料变形，研究团队从磁偶极模型出发，将材料中的磁性单元等效为微观闭合电流环，并据此建立其在外磁场作用下的受力与力矩关系：
在此基础上，研究进一步将微观磁偶极作用推广至宏观尺度。在磁性颗粒近似均匀分布、结构满足平面应力等假设下，可将磁场作用转化为等效体力与体力偶，其表达式将材料磁化状态与磁场空间变化联系起来：
将这些等效磁载荷引入平衡方程，并结合结构几何与边界条件，即可求解材料的变形场。相应的位移关系为理解磁场作用下的弯曲行为提供了理论描述：
该模型从宏观角度建立了磁场作用与结构变形之间的联系，并与多物理场有限元模拟相互印证，为磁控构型设计提供了理论支撑。
非对称结构不仅用于调节力学响应，也赋予材料两侧不同的光热功能。仿珍珠层涂层侧能够反射太阳辐射，另一侧则增强光吸收与光热转换。与此同时，层状微片可延长热量和氧气向材料内部传递的路径，在发挥界面耗能作用的同时形成热阻隔。通过改变材料表面朝向，可在热反射与光热吸收状态之间切换，使同一材料适应不同的热管理需求。
图4 非对称光热调控及力-热协同防护机制
为进一步评估材料在高速冲击下的力学表现，研究团队采用分离式霍普金森压杆开展高应变率测试。通过分析入射波和透射波信号，可计算冲击过程中的弹性波能量，并据此表征试样对冲击能量的传递与衰减：
能量传递率反映冲击能量穿过试样后的传递程度，可用于比较材料在动态载荷下的缓冲与耗能效果。结合入射波与透射波信号，还可进一步求得试样的动态应力、应变及应变率，从而描述材料在冲击载荷下的速率相关力学响应：
这些力学表征为分析材料在不同冲击条件下的动态响应及能量传递规律提供了依据。
对于光热性能，研究团队采用太阳光谱辐照度加权的方法，对材料不同波长下的光谱反射率进行积分，得到宽波段太阳反射率，以综合评价材料对太阳辐射的整体反射能力：
这一方法将太阳光谱分布与材料的波长相关反射特性结合起来，可用于比较不同表面的整体太阳反射表现。
在材料层面实现多功能响应后，研究团队进一步将磁控变形拓展至宏观防护结构，构建了磁控穹顶防护器。外部磁场驱动结构由平面状态隆起为穹顶构型，改变其几何形态与载荷传递路径。冲击过程中，结构的面外变形和载荷重分配与材料自身的黏弹耗能、冲击硬化协同作用，从而提升缓冲防护能力。与此同时，表面朝向与穹顶构型可组合调节，使防护器能够在冲击缓冲、热屏蔽和光热吸收等工作状态之间切换，体现材料性能与宏观结构协同设计的优势。
图5 磁控穹顶防护结构及可编程力-热防护
总体来看，研究团队从仿生材料设计出发，将剪切变硬网络、层状界面、磁场调控与宏观结构重构相结合，形成由微观耗能到宏观防护的多尺度设计思路。材料能够依靠应变率效应实现被动冲击硬化，借助磁场完成主动构型调节，并通过非对称表面切换热管理状态。该研究将材料动态力学行为、界面耗能、结构变形与热响应纳入统一设计框架，为复杂力-热环境下智能防护装备的材料—结构一体化设计提供了新的思路。
论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院近代力学系博士生李子木和硕士生黄剑锋，通讯作者为龚兴龙教授和王胜副教授，吴建鹏博士、刘帅博士、胡志豪、梅桂林参与了相关研究工作。该研究得到了国家自然科学基金项目、动态极端环境材料技术重点实验室项目、安徽省自然科学基金重点项目、中国科学技术大学雏鹰基金项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2615691123