超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因其具有優(yōu)異的能量吸收性，塑性以及拉伸強度/重量比等優(yōu)點使其具備很好的應(yīng)用前景，例如軍事用的防彈材料。然而，其非均勻的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)晶相/非結(jié)晶相的分布特點制約了其沖擊性能的提升，限制了其在防護方面的應(yīng)用。因此，如何通過改進加工工藝調(diào)控結(jié)晶相分布、分子鏈的排列，對于增強機械性能非常重要。仿生設(shè)計給予一種思路，即通過借鑒大自然既有的生物結(jié)構(gòu)，改善材料的力學(xué)性能。
貝殼表層堅硬可以抵抗沖擊，以及內(nèi)部具有良好的抗沖擊性能，因而具備優(yōu)異的抗沖擊性能；谪悮ぬ荻鹊慕Y(jié)構(gòu)特點，任申強教授團隊通過在熱壓超高分子量聚乙烯粉末過程中引入梯度的溫度分布，從而使其在凝固成型過程中具備梯度的結(jié)晶分布，提高了其Izod 沖擊強度，可達到1420 J/m。結(jié)晶度沿著抗沖擊側(cè)到另一側(cè)的分布由粉末X射線衍射表征技術(shù)確定。相場耦合的有限元模擬進一步探究了溫度梯度對結(jié)晶度分布的影響。為了進一步提升表層的硬度從而提高抗沖擊性，該團隊使用了超高應(yīng)變速率激光噴丸技術(shù)，引入殘余壓應(yīng)力，進一步誘導(dǎo)高的結(jié)晶度以及誘發(fā)表層的相變。這種表層強化提高了材料的機械強度。
以上相關(guān)成果分別發(fā)表在ACS Applied Materials & Interface上。論文的第一作者為安璐博士，目前在紐約州立大學(xué)布法羅分校博士后工作，共同第一作者為紐約州立大學(xué)布法羅分校機械與航空工程系碩士生邵澤凡，通訊作者為任申強教授，共同通訊作者為 Danial Faghihi教授。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c15615
