中國科學技術大學教授倪勇、何陵輝研究團隊發現仿貝殼結構在較高沖擊速度下會喪失優異的抗沖擊耗能機制，其性能弱于普通層狀復合結構。基于此現象，該團隊進一步突破以往隨機混合的耐沖擊結構設計方案，提出一種利用不同結構匹配沖擊速率變化的混合結構抗沖擊設計策略，為抗沖擊性能優化的微結構仿生設計提供了新思路。相關研究成果日前發表于《自然-通訊》。
貝殼中的珍珠層通過“磚塊-灰泥”結構相關的內在變形機制可以將能量耗散提升幾個數量級，被視為新型抗沖擊防護材料研發中的微結構設計模板之一。研究團隊制備了激光雕刻結合層壓組裝的仿貝殼玻璃結構，以及三維數字模型結合3D打印的仿貝殼軟硬復合材料結構，通過力學測試-損傷表征的實驗研究并結合數值模擬和理論分析，詳細探究了仿貝殼結構在不同沖擊速度下的力學性能和損傷機制。
研究發現，在一定低速沖擊范圍內，仿貝殼結構會表現出卓越的抗沖擊性能，而當沖擊速度超過臨界值時，該結構的抗沖擊性能相比于普通層狀復合結構將不再具有優勢。數值模擬和標度律分析進一步揭示了臨界沖擊速度的大小與仿貝殼結構的磚塊縱橫比等尺寸參數和沖擊邊界條件相關，這間接解釋了自然界中具有納米級“磚塊-灰泥”結構的貝殼可能會被捕食者以14.7~23.5米/秒速度擊碎的現象。
利用這種現象，研究人員提出了一種將各種結構按抗沖擊性能的優勢速度范圍逐層放置的混合結構設計策略。優化的混合結構可以成功結合仿貝殼結構和層狀結構在不同沖擊速度下的耗能優勢，在更大沖擊速度范圍內實現最優的抗沖擊性能。