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導讀
優異的抗衝擊性能和較高的損傷容限是航空航天領域對高效能樹脂基複合材料提出的重要需求，除了對材料體系的改性以外，透過最佳化複合材料的結構提高其韌性同樣成為業界學者研究的重點。北京航空航天大學的Sha Yin（第一作者），北卡羅來納大學夏洛特分校的Jun Xu（通訊作者）及其團隊從腔棘魚鱗片中找到靈感，在《Composites Science and Technology》上發表了題為“Toughening mechanism of coelacanth-fsh-inspired double-helicoidal composites”的文章，借鑑了該鱗片中罕見的膠原纖維雙螺旋結構，設計並製造了複合材料，該複合材料在彎曲載荷和衝擊載荷作用下發生多次分層，有效阻止了裂紋擴充套件，延長了失效位移，為設計下一代增韌複合材料提供了新的思路。
內容簡介
經過數百萬年的自然選擇，許多生物材料已經進化出巧妙而複雜的螺旋狀微結構，與其他魚類的單螺旋結構不同，存活了 4 億年的“活化石”腔棘魚的鱗片中具有罕見的雙螺旋結構，即相鄰兩層膠原層呈正交排列，如圖1所示。由於雙螺旋結構的膠原基質具有多種變形機制，使得它的鱗片成為自然界中最堅硬的柔性生物材料。受此啟發，本文作者透過熱壓工藝製備了具有類似雙螺旋結構的連續碳纖維增強熱塑性樹脂基複合材料，，並考察了其在靜態載荷和動態載荷下的機械效能。
圖1 （a）其他魚類的單螺旋結構和（b）腔棘魚的雙螺旋結構
圖2對比了的單螺旋結構複合材料和雙螺旋結構複合材料的三點彎曲試驗資料。其中雙螺旋結構試樣DH-10和DH-20具有相似的變化趨勢，即在到達破壞載荷後，載荷雖然會出現一個約50%的突然下降，但在完全失效之前會出現較為平緩的平臺區；而單螺旋結構試樣SH-10則在失效發生後迅速失去承載能力。
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(a) 彎曲位移-載荷曲線 |
(b) 斷裂位移 |
圖2 單螺旋結構複合材料和雙螺旋結構複合材料的彎曲效能
圖3為兩種結構複合材料在彎曲載荷下的失效模式。其中DH-10和DH-20試樣的破壞模式以分層為主，微裂紋首先出現在DH-10的第2層和第3層之間以及DH-20的第3層和第4層之間，隨後向承受拉伸載荷的一側傳播，而且破壞僅發生在每層內部，有效阻止了跨層裂紋的產生，而SH-10和SH-20試樣的破壞模式包含了明顯的跨層裂紋，使其失效過程較為短暫。
圖3 DH-10、DH-20、SH-10和SH-20試樣的失效模式
為了評估不同螺旋結構複合材料的彎曲效能，還基於經典層壓理論 (CLT) 進行了理論分析，如圖4所示。結果表明雙螺旋結構複合材料的剛度較低，但其能量吸收與單螺旋結構複合材料相當，這是由於雙螺旋結構阻礙了跨層裂紋的擴充套件，延長了破壞位移。
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(a) 彎曲剛度、強度和能量吸收對比 |
(b) 四組試樣的等效楊氏模量 |
圖4 基於經典層壓理論的複合材料彎曲效能對比
最後研究了俯仰角度對複合材料理論彎曲剛度的影響，發現單螺旋結構複合材料的理論彎曲剛度隨俯仰角度的增大單調遞減，而雙螺旋結構複合材料的理論彎曲剛度與俯仰角度的關係較為複雜，其理論彎曲剛度一直保持在較低水平。此外，中平面結構的不同對雙螺旋結構複合材料的失效模式幾乎沒有影響，但顯著改變單螺旋結構複合材料的失效模式：90o/90o的中平面堆疊方式比180o/180o的堆疊方式更容易引起跨層裂紋的擴充套件。
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(a) 理論抗彎剛度隨俯仰角度的變化趨勢 |
(b) 雙螺旋結構複合材料的失效機制 |
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(c) SH-10複合材料的中平面結構 |
(d) SH-20複合材料的中平面結構 |
圖5 俯仰角度對複合材料理論彎曲剛度的影響
原始文獻：Sha Y, Ruiheng Y, Yao H, et al. Toughening mechanism of coelacanth-fish-inspired double-helicoidal composites[J]. Composites Science and Technology, 2021, 205:108650.
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