仿生梯度异质结构三维编织夹层复合材料：设计策略与能量吸收性能

《Composite Structures》：Bioinspired gradient heterostructured 3D woven sandwich composites: Design strategy and energy absorption

本研究提出一种基于龙虾螯分级结构的梯度异质三维编织 sandwich 复合材料，通过真空辅助树脂注入工艺实现多层异质结构制备。实验表明，该设计能稳定应力应变响应，分阶段耗散能量，提升比能量吸收和峰值载荷调节能力，解决了传统 sandwich 结构的内在权衡问题。

　　

郭俊泽|周群|袁一浩|罗伟|秦小红

教育部纺织科学和技术重点实验室，东华大学纺织学院，上海201620，中国

摘要

传统的夹层结构在承载能力与能量吸收的协同性、响应稳定性以及失效可控性之间存在固有的权衡。本文提出并验证了一种基于龙虾爪分级结构的梯度异质三维编织夹层复合材料（3DWSC）。我们将外骨骼的“刚性-缓冲-柔性”功能分区映射到三种单元类型（5/8/12毫米），并通过真空辅助树脂灌注（VARI）工艺交替铺设硬质和软质层来构建多层结构，从而实现功能协同。我们系统地比较了这三种单层配置的机械响应和变形机制，明确了短芯、中芯和长芯的功能作用。基于这些发现，我们设计了多种梯度路径结构，这些结构具有分层失效和稳定的载荷平台特性。实验表明，这种受生物启发的分级结构通过逐层激活和载荷重新分布来稳定应力-应变响应，并实现渐进式能量耗散，从而在特定能量吸收、峰值载荷缓解和结构适应性方面提供了协同改进。这些发现为高性能缓冲和保护材料的设计框架及多层集成方法提供了实验验证的基础。

引言

在航空航天、轨道交通和建筑等对结构要求严格的工程领域，材料设计需要同时实现轻量化、高承载能力、稳定的能量吸收和结构可靠性[1]、[2]、[3]。由高强度面层和轻质芯层组成的夹层结构能够高效传递载荷和耗散能量，因此在冲击保护和减重应用中得到广泛应用[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。然而，传统夹层结构常常存在界面退化问题，并且在复杂服役条件下的结构响应控制能力有限，这促使人们从单一层次优化转向跨层次、多尺度设计策略[9]、[10]、[11]。

为了解决传统泡沫或蜂窝芯夹层结构中对粘合剂依赖性强以及面层与芯层之间界面强度有限的问题，三维编织夹层复合材料（3DWSC）应运而生并受到越来越多的关注[12]、[13]、[14]。在3DWSC中，上下面层通过三维编织工艺与垂直芯柱整体结合，从根本上减少了与粘合剂接头相关的脱粘和局部界面失效[15]。得益于连续的三维纱线结构，3DWSC提供了稳定的载荷传递路径和增强的多轴增强性能，使其在冲击保护、航空航天整流罩和车辆结构等应用中表现出优异的耐冲击性和损伤容忍度。此外，当与树脂传递模塑（RTM）和真空辅助树脂灌注（VARI）等成熟制造技术结合时，3DWSC表现出良好的可制造性和工程应用潜力，成为下一代轻量化夹层结构的有希望的候选材料。先前的研究表明，核心柱高度、纱线方向和单元格几何形状等关键设计参数显著影响夹层结构的承载能力、变形响应和能量耗散行为[16]。受这些发现的启发，开发了多层或多阶段三维编织夹层系统，以克服单层设计的厚度和稳定性限制。典型策略包括多层堆叠和面层增厚，并通常结合数值模拟来研究层间协同效应[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。然而，大多数现有设计采用均匀或重复的层配置，缺乏沿厚度方向的功能梯度。在复杂的冲击条件或多阶段缓冲场景下，这种结构仍面临显著挑战。一方面，高刚性芯层提供了优异的承载能力，但可压缩变形空间有限，从而限制了能量吸收效率[22]；另一方面，低刚性芯层虽然具有良好的缓冲性能，但容易过早失效，导致整体结构稳定性和使用寿命下降[23]。更严重的是，在缺乏对层间刚度梯度和失效顺序的刻意调控时，受全局压缩的多层夹层结构常常出现随机层状失效、平台区域内的应力波动以及不可预测的失效模式，使得能量耗散难以平稳和可控。因此，同时优化刚度和能量吸收能力，以及主动调控多层三维编织夹层结构的失效顺序和模式，仍然是一个尚未系统解决的关键科学问题。

在自然界中，许多生物结构演化出了多层分区[24]、[25]、嵌套异质性[26]、[27]和分级过渡[28]、[29]等特征，这些特征实现了高效的载荷传递和能量耗散，为工程夹层结构的设计提供了宝贵的指导[30]。例如，乌贼骨的壁-腔分级结构在保持高刚度的同时实现了多级能量吸收；而在受生物启发的夹层芯中，可以诱导逐层失效，显著提高能量耗散效率[31]、[32]。壳体中的“砖-砂浆”多层分区通过刚性和柔性相的交错排列，显著提高了韧性及抗裂性，赋予夹层结构优异的能量耗散和损伤容忍特性[33]、[34]。值得注意的是，龙虾爪具有由致密矿化外层、梯度过渡层和坚韧内层组成的分层结构，这种结构允许在冲击下依次分散、吸收和释放能量，有效抑制灾难性失效并提供稳定的缓冲[35]。这一受生物启发的原理构成了所提出设计策略的基础，即在厚度方向引入多层异质分区，以实现空间分布的功能协同和优化的能量耗散路径，从而缓解了传统夹层结构在承载能力、能量吸收和失效模式稳定性之间的长期权衡。

受龙虾爪分级结构的启发，本研究提出了一种由离散芯高度单元构成的多层三维编织夹层复合材料，采用路径依赖的失效排序策略系统研究压缩下的梯度路径顺序。与传统的梯度或纤维增强芯概念以及现有的多层三维编织夹层结构相比，这种耦合设计通过可控的厚度方向排序引入了额外的自由度，实现了可编程的失效序列，从而在峰值载荷调节、平台稳定性和能量吸收方面超越了现有方法。为了实验验证这一设计策略的有效性，选择了三种代表性的芯高度（5毫米、8毫米和12毫米）的三维编织间隔结构作为构建模块，系统研究了它们在准静态压缩下的机械响应。通过对不同结构的刚度演变、峰值载荷、平台稳定性和特定能量吸收的比较分析，结合逐帧变形跟踪和失效顺序监测，我们揭示了梯度路径排序如何诱导阶段性响应、实现可控失效并促进层间协同能量耗散。这项研究不仅为多层三维编织夹层结构的多目标性能调优提供了新的设计范式，也为冲击保护等工程应用中的结构-功能协同设计奠定了基础。

部分摘录

受生物启发的结构设计策略

在自然界中，龙虾爪具有卓越的耐冲击性和能量吸收能力，这归功于其厚度方向上的明显层次梯度（图1a–c）。研究表明，龙虾的外骨骼由高度矿化且致密的外层、分级过渡层和坚韧的内层组成。外层提供高刚度和硬度以抵抗初始冲击；中间分级层通过渐进变化实现平稳的载荷传递

三维编织夹层复合材料的设计与制备

如图2a所示，我们使用三维编织间隔织物作为增强材料来构建整体夹层结构。该结构通过将上下面层与间隔纱线整体编织在一起形成，使纤维在三个维度上连续连接，从而创建出空心芯夹层结构。面层采用沿经向（$y$）和纬向（$x$）正交方向的平纹编织结构。

单层结构的压缩响应和失效机制

为了阐明芯层厚度对3D编织间隔复合材料准静态压缩响应和能量吸收的影响，我们对三种单层夹层配置（芯高度分别为5毫米、8毫米和12毫米）进行了系统的机械评估。图7a展示了3DWSC-5、3DWSC-8和3DWSC-12在代表性应变（)下的形态变化。短芯样品（5毫米和8毫米）在加载开始时保持单元格对称性。局部挤压

结论

为了解决夹层结构的长期局限性，包括承载能力与能量吸收之间的权衡、不稳定的压缩响应和难以控制的失效模式，本研究提出了一种受龙虾外骨骼分级结构启发的生物启发式梯度异质三维编织夹层复合材料（3DWSC）设计，并通过实验进行了验证。对单层夹层复合材料进行了系统研究

CRediT作者贡献声明

郭俊泽：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、研究、数据分析、概念化。周群：验证、方法论。袁一浩：软件开发、方法论。罗伟：软件开发。秦小红：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源管理、项目协调、研究、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。