[浙里复材，杭州，2026年1月19日] 传统的碳纤维增强聚合物层合板虽可通过铺层设计调控性能，但在面对弯曲等复杂载荷时，其损伤容限面临挑战。已有的Bouligand型螺旋铺层结构虽然提升了损伤抵抗力，但在承载能力与损伤容限之间往往存在难以调和的矛盾：采用大旋转角虽能提高初始承载，但易引发分层和纤维断裂等脆性破坏；采用小旋转角有利于裂纹扩散和能量吸收，却又牺牲了初始刚度与强度。此外，此前受生物启发的单向梯度设计虽结合了不同单元，但其性能往往只是各均匀结构之间的折中，未能充分发挥梯度协同的潜力因此，如何设计一种能同时实现高损伤抵抗力和高损伤容限的层合板结构，是当前面临的核心痛点。
针对以上问题，浙江大学的研究团队在Composites Science and Technology期刊上发表了相关研究成果。该文章通过模仿甲壳动物外骨骼中的对称梯度螺旋结构，提出了一种新型复合材料层合板设计策略，协同提升了材料的损伤抵抗力和损伤容限，为开发高性能复合材料结构提供了重要的仿生设计思路。论文标题为“Symmetrical gradient design of helicoidal composite laminates for enhanced damage tolerance。”
在许多甲壳类动物的外骨骼中，存在着一种称为Bouligand的螺旋结构。进一步微观观察表明，外骨骼中的螺旋节距往往呈梯度排列，以实现优异的损伤容限。受此结构梯度现象启发，研究团队将具有不同旋转角度的多个螺旋单元引入复合材料层合板的区域化构型设计中。通过模仿梯度螺旋微观结构并进行实验表征，该工作探究了不同梯度设计策略对层合板弯曲力学行为和损伤特性的影响。研究设计了多种仿生构型，包括传统的均匀螺旋（DH）构型、单向梯度螺旋（GH-I, GH-II）构型以及新提出的对称梯度螺旋（GH-III）构型。其中，对称梯度螺旋构型（GH-III）模仿了在螳螂虾穿刺附肢中观察到的、节距由外向内先增大后减小的近对称分布特征。
图1 (a) 穿刺型螳螂虾（Oratosquilla oratoria）的捕食附肢 (b) 矛状指的三维宏观形貌 (c) 指部局部区域的扫描电镜图像 (d) 周期区域内的螺旋单元 (e) 节距长度随表皮向内距离的变化函数
图2 (a) 三种DH构型示意图 (b) DH构型的弯曲力-位移曲线 (c) DH构型力学性能对旋转角的依赖性
图3 DH9、DH18和DH36构型之间的应力云图对比：(a) 弯曲应力 (b) 横向剪切应力
实验结果表明，不同的梯度设计策略导致了显著的性能差异。首先，对于均匀螺旋构型，较大的旋转角因增加了轴向纤维的比例而具有更高的弯曲峰值载荷，但其破坏模式以分层和纤维断裂为主，导致结构完全失效。较小的旋转角则能触发基体裂纹的扭曲扩散机制，抑制纤维断裂，从而贡献出更优的残余性能。其次，单向梯度螺旋设计不可避免地导致较小旋转角单元内的基体裂纹转化为过度扩展的分层，后续承载仅依赖于具有较大旋转角的残余区域，其力学性能仅介于相应的均匀螺旋基准之间，是一种折中方案。而具有相同结构参数的对称梯度螺旋构型被证明是一种调节和降低损伤水平的有效途径，展现出最优的综合性能。
进一步的参数分析揭示了对称梯度螺旋构型性能优越的内在机制。该构型包含两个典型区域：外部区域主要影响损伤起始，内部区域则主导破坏后的残余力学行为。研究发现，在外部配置较大旋转角以抵抗损伤起始，同时在内部配置较小旋转角以激活稳定的基体裂纹扭曲扩散，是同时实现高损伤抵抗力和高损伤容限的关键优化策略。这种设计充分利用了大旋转角单元在抵抗初始损伤和小旋转角单元在调控损伤演化方面的各自优势，避免了因结构单元相似而导致的性能趋同。
表1 已开发螺旋构型的机械响应 Fp和Fr分别表示峰值力和残余力 Di和Df分别表示损伤起始位移和最终破坏位移 Ea是能量耗散
图4 (a) GH构型示意图 (b) GH构型相关的弯曲力学响应 (c) 雷达图比较GH构型及其对应DH构型的力学指标
图5 (a) GH-III (36-18-36) 构型相关的弯曲力学响应 (b) 雷达图比较GH-III (36-18-36) 构型及其对应DH构型的力学指标 (c) GH-III (36-18-36) 构型的渐进损伤过程
图6 (a) 不同结构参数的GH-III构型示意图 (b) GH-III构型弯曲力学指标的比较
图7 具有不同结构参数的螺旋构型在 (a) 达到峰值载荷前和 (b) 达到峰值载荷后的损伤特征示意图
文章指出，仿生对称梯度螺旋构型显著拓宽了复合材料的设计空间，为实现“损伤可控”和“失效容忍”的高性能结构提供了全新且有效的设计范式。这项工作不仅深化了对生物结构力学优势的理解，更重要的是，它将这种理解转化为可量化、可复制的工程设计方案。
