為了探究梯度BM結(jié)構(gòu)設(shè)計的強韌化效果，對比研究了純水泥基體（Cement）、無樹脂非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)變曲線得到顯著強化，其彎曲強度達到66.1 MPa，彎曲韌性達到854.2 kJ/m3，維氏硬度達到609 kgf/mm2，均遠高于Homo和Hetero組。Gradient組的強度與韌性分別是Cement組的6倍和700倍左右，其強韌性也優(yōu)于超高性能混凝土（UHPC）并接近無宏觀缺陷水泥（MDF）。仿生梯度復(fù)合材料的強韌機理主要包括基體局部密實效應(yīng)、PVA的氫鍵與化學(xué)交聯(lián)強化效應(yīng)、EPR的界面粘結(jié)強化效應(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)合材料的準靜態(tài)力學(xué)性能

為了評估仿生水泥基材料的抗沖擊性能，進一步開展低速落錘沖擊試驗和高速彈道沖擊試驗來分別研究其低/高速沖擊強度、韌性及應(yīng)力-應(yīng)變行為，并與其他材料（巖石、合金等）進行對比。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53.3 m/s的高速沖擊后幾乎完好無損，其表面的小沖擊坑直徑僅為3.1 mm，接近于合金鋼（2.6 mm）。高速沖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)工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFF0500802）、國家自然科學(xué)基金（52278247）、國家資助博士后研究計劃（GZB20230139）、中國博士后面上基金（2023M740609）、江蘇省卓越博士后計劃（2023ZB364）和江蘇蘇博特新材料股份有限公司的支持。

供稿人：黃鵬