纖維增強復合材料因其高比強度、高比模量及優(yōu)異的耐腐蝕性與熱穩(wěn)定性，在航空航天領域至關重要。然而，傳統(tǒng)復合材料層合板受限于離散的直線纖維路徑（如0°、±45°、90°），導致層間彈性性能突變，在沖擊載荷下易引發(fā)高的層間剪切應力，從而造成災難性的分層破壞，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策略，但這些現(xiàn)有設計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，但往往會引入纖維損傷、增加制造復雜度與成本，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)能有效降低層間應力、抑制分層。然而，現(xiàn)有仿生設計未能利用面內(nèi)纖維路徑設計的自由度來進一步優(yōu)化載荷傳遞和緩解應力集中。

3)變剛度曲線鋪層：通過面內(nèi)曲線纖維路徑實現(xiàn)“剛度定制”，能顯著緩解應力集中。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，南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院劉琛在復合材料1區(qū)Top期刊《Composites Part B: Engineering》發(fā)表了一篇關于仿生變剛度曲線螺旋鋪層復合材料設計及其抗沖擊性能的最新研究進展。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計，并采用自動鋪絲（AFP）技術(shù)成功制備。實驗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制協(xié)同抑制應力集中、引導裂紋偏轉(zhuǎn)與分解應力，為攻克復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材料科學與技術(shù)學院講師劉琛，通訊作者為大連理工大學力航學院教授白瑞祥，論文作者還包括南京航空航天大學李勇教授，江林碩士，昆士蘭科技大學閆程教授，等。

提出了一種全新的三維仿生復合結(jié)構(gòu)設計——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的設計理念：

(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，這兩種設計在三維空間耦合，形成了獨特的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：：準各向同性QI層合板（基準）；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。

對四種層合板進行了標準的低速沖擊（LVI） 和沖擊后壓縮（CAI） 測試，以評估其抗沖擊性能和損傷容限。建立了基于3D Hashin失效準則和內(nèi)聚力模型的精細化有限元模型，成功復現(xiàn)了實驗現(xiàn)象，用于深入分析層合板在沖擊過程中的損傷演化機理。

系統(tǒng)的實驗和模擬結(jié)果表明，VSCH設計顯著提升了復合材料的綜合抗沖擊性能。VSCH試樣的峰值沖擊力達到5.65 kN，比QI基準（4.35 kN）提升了29.9%。VSCH吸收的能量（9.16 J）遠低于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。VSCH的沖擊深度小于QI，顯示出更強的抗變形能力。

沖擊后壓縮強度：VSCH的CAI強度（130.51 kN）比僅有螺旋設計的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展，并引導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、更復雜的裂紋擴展路徑，從而消耗更多能量，阻止災難性破壞的發(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，降低了層間應力。2）螺旋交織的纖維細觀分布：促進了裂紋在厚度方向的擴散，而非單一界面快速擴展。3）定制的曲線路徑與面內(nèi)剛度梯度：通過應力分解和重分布，緩解了纖維和基體的局部應力集中，并引導裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

本研究成功提出并驗證了一種創(chuàng)新的變剛度曲線螺旋（VSCH）仿生復合材料設計。該設計通過面內(nèi)曲線纖維鋪放和厚度方向螺旋堆疊的協(xié)同效應，實現(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%）。通過引導裂紋偏轉(zhuǎn)、抑制分層和纖維損傷，實現(xiàn)高效的能量耗散?；诔墒斓腁FP制造技術(shù)，兼具高性能、高工藝適應性和環(huán)境友好性，為解決先進復合材料的抗沖擊瓶頸提供了全新的、具有巨大工程應用潛力的解決方案。

原始文獻:

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