导读
碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料由于具有较高的比强度和比刚度，在工程上得到了广泛的应用。然而，CFRP复合材料的固有脆性可能导致灾难性破坏，在最终破坏之前很少或根本没有预警。为了提高碳纤维复合材料的韧性，人们进行了许多尝试，如树脂基体改性、纤维杂化和界面增韧等。有趣的是，数百万年来，大自然一直在克服强度和韧性之间的冲突，并让这些属性达到了一个独特的平衡。许多坚硬的生物材料，如骨骼、牙齿、珍珠等，都具有令人难以置信的力学性能，这些生物材料为新一代高性能材料的开发提供了无限的灵感。虽然以往的研究取得了一定的进展，但在性能提高方面仍存在局限性。超韧生物材料在不同长度尺度上多种增韧机制的协同作用，以及生物材料亚微观结构活化增韧的机理值得进一步探索。
在之前的工作中，作者已经初步比较了完全由自拼接层组成的不连续CFRPs与其基线不连续CFRPs的性能。结果表明，不连续自拼接CFRPs具有良好的抗压性能具有提高韧性的潜力，但不幸的是，其韧性的提高伴随着强度的大幅降低，而这不能通过调整步长来解决。如何合理运用自拼接的设计理念，充分发挥其优势和作用，实现强度与韧性之间的权衡还需进一步研究。
2023年，《Composites Science and Technology》期刊发表了西安交通大学在单向层压复合材料仿生自拼接技术方面的研究工作，论文标题为“Bio-inspired self-stitching for enhancing ductility and impact resistance of unidirectional laminated composites”，通讯作者为段玉岗教授和肖鸿副教授。
在这项工作中，作者创新地设计了具有连续和不连续自拼接层的夹层混杂CFRP复合材料。这项工作旨在调节不同增韧机制之间的竞争，以获得所需的高强度，同时提高CFRP层压板的延展性和韧性。采用高精度激光切割技术对CFRP层压板进行了加工，研究了复合材料自拼接层数对复合材料力学性能和破坏机制的影响。
内容简介
最近报道的一种铁甲虫的外骨骼非常不易穿透，昆虫学家必须使用钻头或钉子才能固定。除了布利冈（Bouligand）结构外，研究人员还在铁甲虫外骨骼的内囊内发现了独特的重叠特征(图1a)，这有助于提高其界面强度。生物多尺度仿生设计理念在开发高性能CFRP复合材料方面具有巨大潜力。此外，有研究者发现珍珠层的强度和韧性之间的平衡源于它的三维结构（图1b）。作者结合从生物材料中获得的灵感设计了不连续自拼接层夹连续层的复合碳纤维复合材料结构。仿生自拼接结构的特点是相邻层嵌套，如图1c所示。采用两个参数设计仿生复合材料层板，即自拼接层数和步长(层切间隔)。
图1鲍鱼壳中(a)和(b)的微观结构，(c)不同复合体系结构的示意图
图2仿生自拼接CFRP层压板的成型路线
图3(a)准静态弯曲试样；(b)不同结构样品铺层切口的光学显微照片；(c)SS-100显微CT显微照片及二维切片；(d)CFRP层合板自拼接层内形成的三角形空洞示意图
图4a为CFRP试样具有代表性的应力-应变曲线。所有曲线均表现出相似的初始线弹性阶段，但应力峰值后的趋势不同。对于UD，应力在应变为0.012时达到峰值，随后峰值应力突然下降40%，然后继续逐渐降低至破坏，整体破坏应变较小。与UD不同的是，自拼接微观结构的CFRP试样在达到峰值后应力下降幅度更大；但试件的残余承载能力和整体破坏应变明显增大。其中，SS-40的弯曲曲线在应变为0.01时达到峰值后应力下降幅度最大，几乎达到峰值的90%；之后发生应变硬化，直到应力再次突然下降到一个很小的值，并逐渐减小到完全失效。SS-60、SS-80和SS-100在加载过程中，应力分别从峰值处急剧下降了80%、50%和50%，随后出现数次波动。试样在完全破坏前仍能承载，表现出与金属屈服和应变硬化相似的伪延性响应。可以看出，试样的峰值应变随自拼接层数的增加而减小(图4b)，按自拼接层数排序，峰值应变分别比UD低25.7%、29.3%、40.1%和42.0%。由于不连续性的引入导致局部应力加剧，从而导致试样过早破坏。相反，随着自拼接层数的增加，破坏应变明显增大。SS-40的失效应变比UD高187.8%。其中，SS-60、SS-80和SS-100表现出相当大的破坏应变，超过了实验应变极限(0.07)。与UD相比，破坏应变增加了228%以上，远高于参考文献中报道的4%。自拼接微观结构的存在使得初始损伤发生得较早，但同时也将灾难性破坏转化为渐进性破坏，延缓了完全破坏的发生。
图4三点弯曲试验下试样的力学响应：(a)代表性应力-应变曲线；(b)峰值应变与破坏应变比较；(c)两种响应模式下的应力-应变曲线示意图；(d)第一转变点应力应变对比；(e)弹性阶段和损伤阶段的能量吸收；(f)第二转变点应力应变对比
图5为动态条件下层合板的损伤模式示意图。在纤维断裂位置方面，有3种情况。对于UD和SS-40，压缩导致纤维断裂发生在层压板上部冲击位置，造成灾难性破坏。而对于SS-80和SS-100，纤维断裂首先发生在距离冲击位置两步远的位置。这两种情况与准静态弯曲情况相似。对于SS-60，距离冲击位置约1步长的上部区域发生了纤维断裂，这与准静态条件下的断裂行为不同。此外，还可以发现，设计的自拼接结构引入的纤维桥接对应变速率敏感，这与参考文献一致。文献报道，在不同载荷下的纤维桥接量是不同的。随着自拼接层数的增加，准静态弯曲条件下的活化纤维桥接增加；而在动态弯曲条件下，活化纤维桥接先增加后稳定。作者认为桥接是由分层引起的，而分层扩展速率随加载速率几乎呈线性增加。因此，虽然预制纤维桥接随着自拼接层数从6层增加到10层而增加，并变得更加分散；但在动态加载速率下，分层传播达到极限，无法扩展到更宽的区域以激活更多的纤维桥接。此外，破坏行为对加载速率的依赖性可能导致动态条件下的比能吸收高于准静态条件，因为更多的分层面积意味着更多的耗散能量。
图5(a)UD；(B) SS-40；(c) SS-60；(d) SS-80；(e) SS-100不同比例自拼接层的失效机制说明
小结
自拼接微观结构通过促进分层和激活大规模纤维桥接，显著提高CFRP复合材料的韧性。与单向碳纤维增强复合材料相比，在准静态弯曲条件下，设计良好的自拼接层复合材料的抗弯刚度、能量吸收和破坏应变分别提高9.1%、81.5%和228%以上。同时，复合材料的动态吸能比单向复合材料高出66.5%。该工作实现了碳纤维复合材料强度与韧性之间的良好平衡，为高性能材料的设计提供了新的途径。
原始文献：
Zhongqiu Ding, Hong Xiao, Yugang Duan, Ben Wang, Bio-inspired self-stitching for enhancing ductility and impact resistance of unidirectional laminated composites, Composites Science and Technology 242 (2023) 110184m,
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110184.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353823002774.
