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東南大學水泥超材料團隊《AM》：仿生混凝土超高沖擊韌性媲美合金鋼
仿生混凝土超高沖擊韌性媲美合金鋼
水泥基材料是目前應用最廣泛的工程材料，提高其韌性與抗沖擊性是實現極端環境下工程結構安全服役的重要保障。水泥基材料具有典型的脆性特征，如何實現水泥基材料的高強、高韌、抗沖擊一體化目標，仍是工程領域內的一大重要挑戰。天然生物材料（貝殼、竹子、骨頭等）經過數百萬年的進化，已經形成了精細復雜的多尺度結構，實現了多重優異力學性能的完美統一，可為先進水泥基材料的創新設計提供重要靈感。然而，現有的仿生策略存在工藝流程復雜、宏量制備困難、仿生結構單一等問題，嚴重限制了水泥基超材料的發展。同時，機器學習（ML）作為新興的人工智能重要分支，具有計算成本低、模型獨立性強等方法優勢，已成功應用于仿生結構材料的性能預測與結構反向設計研究，這為仿生水泥基超材料的智能設計提供了重要思路。
近日，東南大學佘偉教授團隊選用貝殼珍珠層和天然竹子作為仿生模板，采用常見鋁酸鹽水泥和高分子聚合物作為原材料，借助ML輔助反向設計方法，提出一種高效快速、可擴展的仿生設計方法，成功制備出一種在微細觀尺度上具有梯度磚-泥（BM）結構的仿生水泥基材料。該仿生水泥基材料具有優異的抗折強度、韌性和抗沖擊性能，其靜態韌性和沖擊抵抗力較普通水泥基體提升約700和600倍，抗沖擊性能甚至超過了自然巖石、纖維增強水泥基材料（FRC）和部分合金。該種仿生水泥基超材料在軍事防護工程方面具有巨大潛力，所提出的方法也可為仿生力學超材料的結構設計提供新思路。該工作以“Biomimetic Mechanical Robust Cement-Resin Composites with Machine Learning-Assisted Gradient Hierarchical Structures”為題發表在國際知名學術期刊Advanced Materials上。東南大學為論文第一單位，東南大學材料科學與工程學院博士后吳彰鈺和浙江大學建筑工程學院博士后潘浩為論文共同第一作者，東南大學材料科學與工程學院為論文唯一通訊單位。
No.1
設計制備策略
將貝殼BM結構和竹子梯度結構集成到一種材料中進行梯度BM結構設計，選用鋁酸鈣水泥（CAC）作為無機相，聚乙烯醇（PVA）和環氧樹脂（EPR）作為有機相。將剪切交聯強化后的CAC/PVA復合基體作為“磚”結構，通過風力輔助造粒工藝實現EPR（“泥”結構）在CAC/PVA復合基體表面的均勻包裹，并將獲得的顆粒作為初始BM結構；通過將顆粒篩分并進行不同尺寸顆粒分層排布來形成初始梯度BM結構，進一步通過熱壓工藝實現CAC/PVA復合基體快速水化硬化、EPR快速固化成膜以及初始顆粒的壓力誘導取向變形，從而獲得最終的梯度BM結構與宏觀塊體材料。所提出的制備方法高效、穩定，并能夠實現仿生梯度復合材料的大尺度宏量制備，材料內部沿厚度方向上呈現出明顯的梯度BM結構特征。
圖1 仿生梯度復合材料的設計與制備
No.2
ML輔助反向設計方法
開發了一套基于反向傳播神經網絡（BPNN）和遺傳算法（GA）的精細化數據驅動ML方法來進行梯度BM結構反向優化設計。首先通過大量試驗建立了梯度復合材料的三點彎曲力學性能數據庫；其次通過BPNN建立了梯度BM結構參數（“磚”的梯度分布與“泥”的質量分數）和材料強度之間的映射關系，并驗證了正向預測模型的可靠性；最后通過GA獲取了最優彎曲強度對應的梯度BM結構參數。此外，通過對最優結構參數進行試驗驗證，發現實際測得的彎曲強度與ML模型預測的彎曲強度范圍相吻合，并進一步與其他復合材料（非BM結構、非梯度BM結構、不同分布梯度BM結構）進行對比，結果表明ML反向設計所得梯度復合材料具有最優彎曲強度與韌性。
圖2 仿生梯度復合材料的ML反向優化設計
No.3
準靜態力學性能
為了探究梯度BM結構設計的強韌化效果，對比研究了純水泥基體（Cement）、無樹脂非BM結構復合材料（Homo）、BM結構非梯度復合材料（Hetero）、梯度BM結構復合材料（Gradient）的準靜態力學性能。Gradient組的彎曲應力-應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）。仿生梯度復合材料的強韌機理主要包括基體局部密實效應、PVA的氫鍵與化學交聯強化效應、EPR的界面粘結強化效應、梯度BM結構的裂紋偏轉與裂紋尖端屏蔽效應。
圖3 仿生梯度復合材料的準靜態力學性能
No.4
抗沖擊性能
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、韌性及應力-應變行為，并與其他材料（巖石、合金等）進行對比。落錘沖擊結果顯示：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。彈道沖擊結果顯示Gradient組在經過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果表明：材料內部的梯度BM結構起到了三維空間上的沖擊應力分散作用。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，并均優于UHPC、MDF、合金鋼、陶瓷、巖石等現有的工程材料以及部分已報道的仿生復合材料。
圖4 仿生梯度復合材料的抗沖擊性
相關工作得到了國家重點研發計劃（2021YFF0500802）、國家自然科學基金（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
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