纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高比模量及優(yōu)異的耐腐蝕性與熱穩(wěn)定性，在航空航天領(lǐng)域至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)復(fù)合材料層合板受限于離散的直線纖維路徑（如0°、±45°、90°），導(dǎo)致層間彈性性能突變，在沖擊載荷下易引發(fā)高的層間剪切應(yīng)力，從而造成災(zāi)難性的分層破壞，成為其抗沖擊性能的主要瓶頸。為突破此瓶頸，研究者們相繼提出了多種改進(jìn)策略，但這些現(xiàn)有設(shè)計(jì)均存在明顯的局限性：

1)二次增韌技術(shù)：盡管能有效提升韌性，但往往會(huì)引入纖維損傷、增加制造復(fù)雜度與成本，面臨工業(yè)化瓶頸。

2)仿生螺旋鋪層：受生物Bouligand結(jié)構(gòu)啟發(fā)，通過層間小角度旋轉(zhuǎn)能有效降低層間應(yīng)力、抑制分層。然而，現(xiàn)有仿生設(shè)計(jì)未能利用面內(nèi)纖維路徑設(shè)計(jì)的自由度來進(jìn)一步優(yōu)化載荷傳遞和緩解應(yīng)力集中。

3)變剛度曲線鋪層：通過面內(nèi)曲線纖維路徑實(shí)現(xiàn)“剛度定制”，能顯著緩解應(yīng)力集中。然而，其典型的層間大角度差異問題依然突出，未能解決層間失配這一核心矛盾，抗沖擊性能的提升潛力受限。

近日，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉琛在復(fù)合材料1區(qū)Top期刊《Composites Part B: Engineering》發(fā)表了一篇關(guān)于仿生變剛度曲線螺旋鋪層復(fù)合材料設(shè)計(jì)及其抗沖擊性能的最新研究進(jìn)展。該研究創(chuàng)新性地提出了變剛度曲線螺旋（VSCH）鋪層構(gòu)型，通過面內(nèi)曲線與厚度螺旋的三維仿生設(shè)計(jì)，并采用自動(dòng)鋪絲（AFP）技術(shù)成功制備。實(shí)驗(yàn)表明其抗沖擊性能與損傷容限較傳統(tǒng)層合板提升近30%，該突破性性能源于多重機(jī)制協(xié)同抑制應(yīng)力集中、引導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)與分解應(yīng)力，為攻克復(fù)合材料抗沖擊瓶頸提供了全新且可工業(yè)化的解決方案。論文題目為”Bio-inspired composite design with variable-stiffness curvilinear helicoidal  layup for enhanced impact resistance”，論文第一作者為南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師劉琛，通訊作者為大連理工大學(xué)力航學(xué)院教授白瑞祥，論文作者還包括南京航空航天大學(xué)李勇教授，江林碩士，昆士蘭科技大學(xué)閆程教授，等。

提出了一種全新的三維仿生復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——變剛度曲線螺旋（Variable-Stiffness Curvilinear Helicoidal, VSCH）層合結(jié)構(gòu)。它巧妙地融合了兩種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念：

(1) 面內(nèi)變剛度曲線鋪放：每一層內(nèi)的纖維路徑不再是直線，而是遵循特定函數(shù)變化的曲線。這使得材料的面內(nèi)剛度可以根據(jù)需要進(jìn)行“定制化”分布，能夠?qū)⑤d荷從柔性區(qū)域重新分配到剛性區(qū)域，緩解應(yīng)力集中。

(2) 厚度方向螺旋堆疊：各鋪層沿厚度方向以固定的微小角度逐層旋轉(zhuǎn)，形成類似Bouligand結(jié)構(gòu)的螺旋構(gòu)型。最終，這兩種設(shè)計(jì)在三維空間耦合，形成了獨(dú)特的VSCH鋪層單元，旨在通過多維度的結(jié)構(gòu)特征協(xié)同提升材料的抗沖擊性能。

采用自動(dòng)纖維鋪放（AFP）技術(shù)和熱壓罐固化工藝，成功制造了四種不同類型層合板，包括：：準(zhǔn)各向同性QI層合板（基準(zhǔn)）；變剛度曲線VSC層合板；恒剛度線性螺旋CSLH層合板；變剛度曲線螺旋VSCH層合板，通過軌跡規(guī)劃和鋪放控制，確保了曲線纖維路徑的高質(zhì)量成型，避免了纖維褶皺等缺陷。

對(duì)四種層合板進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的低速?zèng)_擊（LVI） 和沖擊后壓縮（CAI） 測(cè)試，以評(píng)估其抗沖擊性能和損傷容限。建立了基于3D Hashin失效準(zhǔn)則和內(nèi)聚力模型的精細(xì)化有限元模型，成功復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，用于深入分析層合板在沖擊過程中的損傷演化機(jī)理。

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，VSCH設(shè)計(jì)顯著提升了復(fù)合材料的綜合抗沖擊性能。VSCH試樣的峰值沖擊力達(dá)到5.65 kN，比QI基準(zhǔn)（4.35 kN）提升了29.9%。VSCH吸收的能量（9.16 J）遠(yuǎn)低于QI（12.1 J），表明其能將更多沖擊能量通過彈性變形耗散，而非轉(zhuǎn)化為不可逆的損傷，損傷阻抗更強(qiáng)。VSCH的沖擊深度小于QI，顯示出更強(qiáng)的抗變形能力。

沖擊后壓縮強(qiáng)度：VSCH的CAI強(qiáng)度（130.51 kN）比僅有螺旋設(shè)計(jì)的CSLH（122.22 kN）提升了9.8%，證明了其優(yōu)異的損傷容限，即在受損后仍能保持較高的承載能力。超聲C掃描和斷面分析顯示，VSCH結(jié)構(gòu)能有效抑制分層裂紋的擴(kuò)展，并引導(dǎo)基體裂紋沿著曲線纖維路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分岔，形成更曲折、更復(fù)雜的裂紋擴(kuò)展路徑，從而消耗更多能量，阻止災(zāi)難性破壞的發(fā)生。

綜上，VSCH的優(yōu)異抗沖擊性能源于其三維微觀結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的三大機(jī)制：1）更均勻的層間過渡：微小螺旋角減少了層間剛度失配，降低了層間應(yīng)力。2）螺旋交織的纖維細(xì)觀分布：促進(jìn)了裂紋在厚度方向的擴(kuò)散，而非單一界面快速擴(kuò)展。3）定制的曲線路徑與面內(nèi)剛度梯度：通過應(yīng)力分解和重分布，緩解了纖維和基體的局部應(yīng)力集中，并引導(dǎo)裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

本研究成功提出并驗(yàn)證了一種創(chuàng)新的變剛度曲線螺旋（VSCH）仿生復(fù)合材料設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過面內(nèi)曲線纖維鋪放和厚度方向螺旋堆疊的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了多維度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠：

顯著提升抗沖擊性能（提升29.9%）和損傷容限（提升32.1%）。通過引導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)、抑制分層和纖維損傷，實(shí)現(xiàn)高效的能量耗散?；诔墒斓腁FP制造技術(shù)，兼具高性能、高工藝適應(yīng)性和環(huán)境友好性，為解決先進(jìn)復(fù)合材料的抗沖擊瓶頸提供了全新的、具有巨大工程應(yīng)用潛力的解決方案。

原始文獻(xiàn):

Liu C, Jiang L, Liu H, et al. Bio-inspired composite design with variable-stiffness curvilinear helicoidal layup for enhanced impact resistance[J]. Composites Part B: Engineering, 2025, 113078.

原文鏈接:

https://www./science/article/abs/pii/S1359836825009898