水泥基材料是目前應(yīng)用最廣泛的工程材料，提高其韌性與抗沖擊性是實現(xiàn)極端環(huán)境下工程結(jié)構(gòu)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(xiàn)水泥基材料的高強、高韌、抗沖擊一體化目標(biāo)，仍是工程領(lǐng)域內(nèi)的一大重要挑戰(zhàn)。天然生物材料（貝殼、竹子、骨頭等）經(jīng)過數(shù)百萬年的進化，已經(jīng)形成了精細(xì)復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多重優(yōu)異力學(xué)性能的完美統(tǒng)一，可為先進水泥基材料的創(chuàng)新設(shè)計提供重要靈感。然而，現(xiàn)有的仿生策略存在工藝流程復(fù)雜、宏量制備困難、仿生結(jié)構(gòu)單一等問題，嚴(yán)重限制了水泥基超材料的發(fā)展。同時，機器學(xué)習(xí)（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(yōu)勢，已成功應(yīng)用于仿生結(jié)構(gòu)材料的性能預(yù)測與結(jié)構(gòu)反向設(shè)計研究，這為仿生水泥基超材料的智能設(shè)計提供了重要思路。

近日，東南大學(xué)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(shè)計方法，提出一種高效快速、可擴展的仿生設(shè)計方法，成功制備出一種在微細(xì)觀尺度上具有梯度磚-泥（BM）結(jié)構(gòu)的仿生水泥基材料。該仿生水泥基材料具有優(yōu)異的抗折強度、韌性和抗沖擊性能，其靜態(tài)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(xué)超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。東南大學(xué)為論文第一單位，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士后吳彰鈺和浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院博士后潘浩為論文共同第一作者，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為論文唯一通訊單位。

將貝殼BM結(jié)構(gòu)和竹子梯度結(jié)構(gòu)集成到一種材料中進行梯度BM結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用鋁酸鈣水泥（CAC）作為無機相，聚乙烯醇（PVA）和環(huán)氧樹脂（EPR）作為有機相。將剪切交聯(lián)強化后的CAC/PVA復(fù)合基體作為“磚”結(jié)構(gòu)，通過風(fēng)力輔助造粒工藝實現(xiàn)EPR（“泥”結(jié)構(gòu)）在CAC/PVA復(fù)合基體表面的均勻包裹，并將獲得的顆粒作為初始BM結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)，進一步通過熱壓工藝實現(xiàn)CAC/PVA復(fù)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(dǎo)取向變形，從而獲得最終的梯度BM結(jié)構(gòu)與宏觀塊體材料。所提出的制備方法高效、穩(wěn)定，并能夠?qū)崿F(xiàn)仿生梯度復(fù)合材料的大尺度宏量制備，材料內(nèi)部沿厚度方向上呈現(xiàn)出明顯的梯度BM結(jié)構(gòu)特征。

圖1 仿生梯度復(fù)合材料的設(shè)計與制備

開發(fā)了一套基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPNN）和遺傳算法（GA）的精細(xì)化數(shù)據(jù)驅(qū)動ML方法來進行梯度BM結(jié)構(gòu)反向優(yōu)化設(shè)計。首先通過大量試驗建立了梯度復(fù)合材料的三點彎曲力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫；其次通過BPNN建立了梯度BM結(jié)構(gòu)參數(shù)（“磚”的梯度分布與“泥”的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和材料強度之間的映射關(guān)系，并驗證了正向預(yù)測模型的可靠性；最后通過GA獲取了最優(yōu)彎曲強度對應(yīng)的梯度BM結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外，通過對最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行試驗驗證，發(fā)現(xiàn)實際測得的彎曲強度與ML模型預(yù)測的彎曲強度范圍相吻合，并進一步與其他復(fù)合材料（非BM結(jié)構(gòu)、非梯度BM結(jié)構(gòu)、不同分布梯度BM結(jié)構(gòu)）進行對比，結(jié)果表明ML反向設(shè)計所得梯度復(fù)合材料具有最優(yōu)彎曲強度與韌性。

圖2 仿生梯度復(fù)合材料的ML反向優(yōu)化設(shè)計

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(zhǔn)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(yuǎn)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(zhǔn)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)合材料的抗沖擊性能

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。