由于复合材料具有较高的比强度、比刚度、耐腐蚀性和设计灵活性，它们在航空航天、汽车、生物医学和土木工程领域受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。然而，这些材料的一个关键局限性是它们容易受到沿厚度方向的垂直载荷的影响[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。具体来说，传统的层压复合材料通常表现出较差的层间剪切强度，容易受损，并且能量吸收能力有限。目前，提高复合材料机械性能的传统方法已经遇到了技术瓶颈。为了应对这些挑战，研究人员越来越多地转向仿生设计策略，这些策略从自然生物系统中汲取灵感[11]、[12]。天然复合材料表现出优异的机械性能，如高韧性、出色的损伤容忍性和高效的能量耗散能力。这些特性使它们成为指导下一代先进复合材料发展的理想范例。
天然复合材料的优异机械性能不仅源于其组成材料，还源于其复杂的微观结构。在仿生复合板的研究领域，Bouligand结构引起了广泛关注。Bouligand结构普遍存在于大多数甲壳类动物的表皮中，包括螳螂虾、龙虾和蟹爪[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。这种结构配置使这些生物具有高强度和硬度，这对于它们的移动、捕食和防御至关重要。对于工程复合材料而言，整合Bouligand结构可以显著提高损伤容忍性并赋予优异的抗冲击性能[15]、[18]、[19]、[20]、[21]。
最近的研究表明，像螳螂虾这样的攻击性海洋甲壳类动物利用类似锤子的附肢以极高的速度撞击和破坏珍珠壳[16]、[22]。值得注意的是，在这种冲击过程中，甲壳类动物自身的结构保持完整。受此启发，关于Bouligand结构的一系列研究应运而生。另一个著名的例子是Homarus americanus龙虾，它在数百万年的生存适应过程中演化出了高抗冲击性的外骨骼。Fabritius等人[23]发现，龙虾的外骨骼具有多级微观结构特征，外表皮的积累高度明显低于内表皮。这表明存在两个主要的螺旋区域：外表皮的螺旋角度较大，而内表皮的螺旋角度较小。此外，每个螺旋层的厚度也不同，外层区域稍薄，内层区域稍厚，形成了混合Bouligand微观结构。这些结构差异对于维持其高抗冲击性能至关重要，如图1(b)所示。
含有Bouligand结构的碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料在提高平面内载荷抵抗力和抗冲击性能方面显示出巨大潜力[24]、[25]、[26]、[27]。因此，使用CFRP复合材料制备混合结构样品以验证这一设计至关重要。目前，纤维增强树脂基复合材料的制造主要涉及铺设和固化预浸料。随着预浸料制造技术的不断进步，已经开发出了超薄预浸料。这些超薄预浸料的纤维面积密度可低至20?g/m2（对应于单层厚度约为0.02?mm），与传统预浸料（纤维面积密度通常为135–200?g/m2，单层厚度约为0.15–0.2?mm）形成鲜明对比。实验结果表明，超薄层压复合材料表现出更优异的机械性能和更广泛的设计空间。作为一种创新的复合结构，超薄层压复合材料在设计更复杂和精密的结构方面具有显著的研究潜力。具体来说，它们可以有效解决当前设计空间的局限性，降低分层风险，同时减轻结构重量并增强其机械性能。
在仿生螺旋复合层压板的微观结构设计中，大多数研究集中在简单的均匀螺旋结构上[24]、[28]、[29]、[30]、[31]。Ginzburg等人[29]受Bouligand结构的启发，设计了包括交叉层压、准各向同性、螺旋（6°和12°）结构在内的多种层压配置。他们还设计了不同尺寸的正方形板进行数值分析和低速冲击实验。结果表明，与标准准各向同性层压板和交叉层压板相比，螺旋层压板在吸收相同能量时表现出最小的层间损伤。Mencattelli等人[31]进一步将最小螺距角减小到2.5°，更好地模拟了实际观察到的指节棒微观结构。在广泛的螺距角范围内进行了低速冲击测试。结果表明，减小螺距角有助于亚临界损伤的传播，同时提高损伤容忍性。进一步研究表明，需要非常小的螺距角才能激活螺旋结构特有的有益损伤缓解机制。
目前对混合Bouligand结构的研究集中在探索其机械性能、设计优化及其在各个领域的潜在应用上。Li等人[32]采用有限元方法对甲壳类动物外骨骼的混合Bouligand结构进行了建模，其中包含了两个螺旋角度和两个层厚度。数值模拟用于评估低速冲击（LVI）和冲击后压缩（CAI）。结果表明，仿生结构需要平衡内表皮提供的保护和外表皮提供的承载性能。此外，使用超薄预浸料制备了具有混合螺旋结构的样品进行短梁剪切测试[33]。实验结果表明，混合螺旋结构在正面对抗能力上表现更好，并且比均匀螺旋结构提供了更好的内部组织和器官保护。此外，还进行了准静态压痕（QSI）全穿透实验[34]。实验结果表明，具有大螺距角和小层厚度的外表皮在穿透测试中具有更高的膝部载荷，提供了更高的初始损伤阈值。另一方面，具有小螺距角和大层厚度的内表皮则表现出更高的损伤耗散能力，提供了更好的保护性能。
与传统的层压板相比，使用薄预浸料制造的层压板更容易发生过早的纤维断裂和失效，从而降低了它们的承载能力。此外，仅使用超薄层压材料可能会增加层压过程的成本和复杂性，同时增加纤维断裂的风险。为了解决这一挑战，Li等人[35]提出了一种创新的厚/薄/厚层结构，其中薄层集中在层压板的中间。薄层和厚层的结合在分层损伤和纤维失效之间取得了平衡，从而形成了具有优异损伤抵抗力的复合结构。这种薄-厚混合设计有效地缓解了分层和纤维断裂的问题，为我们的结构设计研究提供了宝贵的参考。这种通过结构参数化梯度来调节机械性能的想法在各种跨学科工程问题中具有重要的应用价值[36]、[37]。因此，研究龙虾爪中混合Bouligand结构的损伤抵抗机制对我们的研究具有重要意义。具体来说，使用不同厚度的预浸料模仿龙虾爪的混合螺旋结构，以提高薄板CFRP复合材料在垂直载荷下的损伤容忍性，对于最大化其结构应用潜力至关重要。
为什么龙虾会演化出这种混合Bouligand结构？这种结构如何确保抗冲击性能并保护内部组织？它对复合材料的应用有何启示？薄层和厚层预浸料设计的结合能否缓解单层层压材料的局限性？这些都是值得深入探讨的重要问题。
本研究通过低速冲击（LVI）实验，研究了龙虾爪外骨骼中混合Bouligand结构演化的内在机制。研究将两种不同的螺旋角度和层厚度纳入各种区域配置中，系统地考察了结构特性与机械性能之间的关系。通过结合这两种螺旋角度和两种层厚度，成功制备了混合Bouligand结构。实验结果揭示了龙虾爪不同区域的机械性能，并表明仿生Bouligand结构实现了强度和韧性的协同优化。这一发现为开发先进的抗冲击复合材料提供了宝贵的见解。
