碳纤维层合板具有良好的面内承载性能和轻量化特征，是最为广泛运用的空天结构复合材料之一。然而在外来物冲击作用下，层合结构易发生内部分层、纤维损伤，显著影响承载能力。由于外物冲击在服役中非常普遍，使得该类材料的层间性能增强与抗冲击增韧设计成为关键问题之一。双螺旋Bouligand结构腔棘鱼的鳞片具备超常的抗变形和断裂能力，这类精细的生物结构为航天强韧一体化仿生复合材料提供了新的设计思路。

  哈尔滨工业大学孟松鹤教授团队在抗损伤断裂仿生复合材料的结构设计和力学性能分析方面开展了相关研究。对于发现于雀尾螳螂虾颚足、羊蟹外骨骼、蝎子爪等内部组织中的一类单螺旋Bouligand结构力学性能的研究由来已久。而发现于非洲东海岸科摩罗群岛附近的腔棘鱼（如图1(a)所示）以其超过4.1亿年的存在历史逐渐引起国内外学者的关注。区别于常规的单螺旋Bouligand结构，腔棘鱼的鱼鳞内部所发现的双螺旋Bouligand结构的层间结构（如图1(b)所示）与纤维螺旋方式（如图1(c)所示）上更加复杂。

图1 双螺旋Bouligand结构示意图: (a)腔棘鱼鳞片微观扫描图, (b)层间纤维桥, (c)双螺旋纤维结构示意图.

  受腔棘鱼鱼鳞微细观结构启发，该团队提出了“增强相连续纤维双螺旋构型”的增韧策略，即由螺旋角相同的两组单螺旋结构交错堆叠、且相邻奇数层与偶数层近似垂直而最终形成的双螺旋构型，这种结构形式促使裂纹沿扭曲路径扩展，增加了裂纹面积的同时可以消耗更多的外载荷，进而提高结构的断裂韧性。

  根据腔棘鱼鳞片SEM微观结构观测结果，建立了碳纤维增强双螺旋层合结构层间性能多尺度分析模型。在模型中，考虑了有/无层间桥接纤维两种情况，数值模拟结果表明：与无层间桥接纤维的结构相比，纤维桥可以将结构层间抗剪切强度S13和层间剪切模量G13分别提高21.1%和4.7%；层间拉伸强度Z33和层间拉伸模量E33分别提高了13.1%和9.1%，如图2(a)所示。层间界面的牵引力与分离位移关系曲线如图2(b)所示，可以进一步获得结构的层间性能用于结构断裂行为的分析。

图2 纤维桥对腔棘鱼鳞片力学性能的影响: (a)模量与强度, (b)层间牵引力分离曲线.

  由图3可知：双螺旋结构的断裂性能明显优于单螺旋结构，并且随着结构螺旋角减小，结构的抗损伤能力（如：失效载荷、失效位移以及韧性）显著增强。由图4可知：相较于单螺旋结构，双螺旋结构面内横向应力与层间应力明显小于前者，因此双螺旋纤维布立冈结构通过延迟层内损伤，以及优化层间应力分布，可以获得更优的抗断裂性能与结构韧性。

图3 单边裂纹拉伸作用下单双螺旋结构响应对比: (a)破坏载荷, (b)破坏位移, (c)韧性.

图4 单边裂纹拉伸作用下单双螺旋结构面内(a)与层间(b)应力分布对比.

  这些成果不仅能加深我们对于生物抗损伤微结构断裂机制的理解，同时也为借助双螺旋纤维Bouligand结构研制强韧一体化仿生复合材料提供了一种新的设计思路，将来可用于陶瓷基体类复合材料增韧。

 相关成果已经以“Analysis and simulation of fracture behavior in naturally occurring Bouligand structures”为题发表在仿生材料领域国际权威刊物Acta Biomaterialia上。论文第一作者为哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点实验室博士生杨帆，指导教师为该团队的解维华教授。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家留学基金委的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.09.013