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东南大学水泥超材料团队《AM》：仿生混凝土超高冲击韧性媲美合金钢
仿生混凝土超高冲击韧性媲美合金钢
水泥基材料是目前应用最广泛的工程材料，提高其韧性与抗冲击性是实现极端环境下工程结构安全服役的重要保障。水泥基材料具有典型的脆性特征，如何实现水泥基材料的高强、高韧、抗冲击一体化目标，仍是工程领域内的一大重要挑战。天然生物材料（贝壳、竹子、骨头等）经过数百万年的进化，已经形成了精细复杂的多尺度结构，实现了多重优异力学性能的完美统一，可为先进水泥基材料的创新设计提供重要灵感。然而，现有的仿生策略存在工艺流程复杂、宏量制备困难、仿生结构单一等问题，严重限制了水泥基超材料的发展。同时，机器学习（ML）作为新兴的人工智能重要分支，具有计算成本低、模型独立性强等方法优势，已成功应用于仿生结构材料的性能预测与结构反向设计研究，这为仿生水泥基超材料的智能设计提供了重要思路。
近日，东南大学佘伟教授团队选用贝壳珍珠层和天然竹子作为仿生模板，采用常见铝酸盐水泥和高分子聚合物作为原材料，借助ML辅助反向设计方法，提出一种高效快速、可扩展的仿生设计方法，成功制备出一种在微细观尺度上具有梯度砖-泥（BM）结构的仿生水泥基材料。该仿生水泥基材料具有优异的抗折强度、韧性和抗冲击性能，其静态韧性和冲击抵抗力较普通水泥基体提升约700和600倍，抗冲击性能甚至超过了自然岩石、纤维增强水泥基材料（FRC）和部分合金。该种仿生水泥基超材料在军事防护工程方面具有巨大潜力，所提出的方法也可为仿生力学超材料的结构设计提供新思路。该工作以“Biomimetic Mechanical Robust Cement-Resin Composites with Machine Learning-Assisted Gradient Hierarchical Structures”为题发表在国际知名学术期刊Advanced Materials上。东南大学为论文第一单位，东南大学材料科学与工程学院博士后吴彰钰和浙江大学建筑工程学院博士后潘浩为论文共同第一作者，东南大学材料科学与工程学院为论文唯一通讯单位。
No.1
设计制备策略
将贝壳BM结构和竹子梯度结构集成到一种材料中进行梯度BM结构设计，选用铝酸钙水泥（CAC）作为无机相，聚乙烯醇（PVA）和环氧树脂（EPR）作为有机相。将剪切交联强化后的CAC/PVA复合基体作为“砖”结构，通过风力辅助造粒工艺实现EPR（“泥”结构）在CAC/PVA复合基体表面的均匀包裹，并将获得的颗粒作为初始BM结构；通过将颗粒筛分并进行不同尺寸颗粒分层排布来形成初始梯度BM结构，进一步通过热压工艺实现CAC/PVA复合基体快速水化硬化、EPR快速固化成膜以及初始颗粒的压力诱导取向变形，从而获得最终的梯度BM结构与宏观块体材料。所提出的制备方法高效、稳定，并能够实现仿生梯度复合材料的大尺度宏量制备，材料内部沿厚度方向上呈现出明显的梯度BM结构特征。
图1 仿生梯度复合材料的设计与制备
No.2
ML辅助反向设计方法
开发了一套基于反向传播神经网络（BPNN）和遗传算法（GA）的精细化数据驱动ML方法来进行梯度BM结构反向优化设计。首先通过大量试验建立了梯度复合材料的三点弯曲力学性能数据库；其次通过BPNN建立了梯度BM结构参数（“砖”的梯度分布与“泥”的质量分数）和材料强度之间的映射关系，并验证了正向预测模型的可靠性；最后通过GA获取了最优弯曲强度对应的梯度BM结构参数。此外，通过对最优结构参数进行试验验证，发现实际测得的弯曲强度与ML模型预测的弯曲强度范围相吻合，并进一步与其他复合材料（非BM结构、非梯度BM结构、不同分布梯度BM结构）进行对比，结果表明ML反向设计所得梯度复合材料具有最优弯曲强度与韧性。
图2 仿生梯度复合材料的ML反向优化设计
No.3
准静态力学性能
为了探究梯度BM结构设计的强韧化效果，对比研究了纯水泥基体（Cement）、无树脂非BM结构复合材料（Homo）、BM结构非梯度复合材料（Hetero）、梯度BM结构复合材料（Gradient）的准静态力学性能。Gradient组的弯曲应力-应变曲线得到显著强化，其弯曲强度达到66.1 MPa，弯曲韧性达到854.2 kJ/m3，维氏硬度达到609 kgf/mm2，均远高于Homo和Hetero组。Gradient组的强度与韧性分别是Cement组的6倍和700倍左右，其强韧性也优于超高性能混凝土（UHPC）并接近无宏观缺陷水泥（MDF）。仿生梯度复合材料的强韧机理主要包括基体局部密实效应、PVA的氢键与化学交联强化效应、EPR的界面粘结强化效应、梯度BM结构的裂纹偏转与裂纹尖端屏蔽效应。
图3 仿生梯度复合材料的准静态力学性能
No.4
抗冲击性能
为了评估仿生水泥基材料的抗冲击性能，进一步开展低速落锤冲击试验和高速弹道冲击试验来分别研究其低/高速冲击强度、韧性及应力-应变行为，并与其他材料（岩石、合金等）进行对比。落锤冲击结果显示：Gradient组的峰值冲击力（23.0 kN）和冲击能量（17.8 J）均大幅高于Cement、Homo、Hetero组以及石英石、花岗岩、大理石、玄武岩等自然界岩石。弹道冲击结果显示Gradient组在经过53.3 m/s的高速冲击后几乎完好无损，其表面的小冲击坑直径仅为3.1 mm，接近于合金钢（2.6 mm）。高速冲击下的损伤演化模拟结果表明：材料内部的梯度BM结构起到了三维空间上的冲击应力分散作用。Gradient组的比冲击能量（8.5 J/(g/cm3)）和比冲击力（10.9 kN/( g/cm3)）分别是Cement组的600倍和80倍左右，并均优于UHPC、MDF、合金钢、陶瓷、岩石等现有的工程材料以及部分已报道的仿生复合材料。
图4 仿生梯度复合材料的抗冲击性
相关工作得到了国家重点研发计划（2021YFF0500802）、国家自然科学基金（52278247）、国家资助博士后研究计划（GZB20230139）、中国博士后面上基金（2023M740609）、江苏省卓越博士后计划（2023ZB364）和江苏苏博特新材料股份有限公司的支持。
供稿人：黄鹏
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