在冲击载荷作用下，肌肉骨骼仿生复合夹层结构的损伤抑制与重复能量吸收性能

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Damage inhibition and repetitive energy absorption of musculoskeletal biomimetic composite sandwich structure under impact loading

CFRP sandwich结构仿生力学骨骼系统设计及多次冲击性能研究

　　

刘志康|李飚|刘佳怡|黄伟|熊健

华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉430074，中国

摘要

碳纤维增强塑料（CFRP）夹层结构具有优异的机械性能和轻量化特性，但其耐损伤能力和重复能量吸收能力较弱。本文提出了一种模仿肌肉骨骼系统的复合材料夹层结构（MBCSS），以增强CFRP夹层结构抵抗多次冲击的能力和耐损伤性能。同时，还提出了一种基于肌肉骨骼系统的制备工艺。通过光气枪驱动的泡沫铝弹丸进行了冲击实验。为了反映样品的损伤程度，使用超深度场显微镜（UDFM）扫描了裂纹宽度。结果表明，与CFRP夹层结构相比，MBCSS表现出明显的损伤抑制特性。第二次冲击后，MBCSS的局部裂纹宽度减少了十倍，而通过热压工艺制造的HP8 CFRP夹层结构的裂纹宽度几乎没有变化。此外，更换受损的仿生骨骼结构后，MBCSS仍保持了优异的抗冲击性能，而HP8和S8几乎完全丧失了承载能力。

引言

由于其优异的机械性能和轻量化特性，CFRP夹层结构受到了许多学者的关注[1]、[2]。当CFRP夹层结构受到冲击载荷时，能量耗散方式主要包括分层和纤维断裂[3]、[4]。CFRP夹层结构在第一次冲击过程中表现出良好的能量吸收特性。然而，其重复能量吸收能力和耐损伤能力存在明显不足[5]、[6]。同时，修复问题也限制了其在工程中的应用。因此，如何在不降低机械性能的前提下提高CFRP夹层结构的重复抗冲击能力和耐损伤能力是一个重要的科学问题。

CFRP夹层结构通常由面板和功能核心组成，具有高比强度、高比刚度和轻量化的优点。核心结构包括六角蜂窝结构[7]、[8]、[9]、[10]、负泊松比结构[11]、[12]、[13]、晶格结构[14]等。特别是负泊松比结构因其良好的能量吸收特性而受到广泛研究。徐等人[16]设计了一种具有负泊松比特性的连接器，该结构表现出良好的能量吸收效果并提高了连接性能。侯等人[17]研究了负泊松比结构的变形机制，发现负泊松比的效果受边界条件的影响。随着单元格位置的变化，边界条件也会改变，泊松比的值在压缩过程中也会发生变化。为了制备各种CFRP夹层结构，提出了相关的制备技术，例如热压工艺和3D打印工艺。早期的3D打印技术只能打印均匀的基体材料，样品的机械性能较弱[18]。因此，设计了一种将连续纤维加入打印材料中的方法，通过双喷嘴实现连续纤维和基体材料的同步打印。Bokharaie等人[19]研究了3D打印连续纤维六角框架的机械性能和失效行为，结果表明不同结构尺寸表现出不同的失效模式和功能特性。这项研究促进了3D打印连续纤维结构的工程应用。然而，含有连续纤维的样品对打印厚度和纤维与基体的比例有较高要求，其机械性能与热压样品相比也有显著不足。为了提高其机械性能，对结构进行了优化设计。刘等人[20]通过打印三维微结构改善了压阻传感器的机械性能。Ke等人[21]通过3D打印工艺制备了混合连续纤维增强晶格结构，通过混合结构的设计提高了结构的机械性能。何等人[22]提出了一种具有多单元管的晶格结构，其比能量吸收能力优于传统晶格结构。相比之下，热压工艺依赖于模具，尺寸固定，制备过程复杂，只能制备一些简单结构。

传统工程材料的功能通常较为单一，难以同时满足各方面的性能要求。仿生结构的设计旨在加深结构与生物功能之间的关系[23]、[24]、[25]。这种方法考虑了多方面的优势。此外，仿生结构的应用解决了许多重要的技术挑战，其优势在航空航天等领域逐渐显现。邱等人[26]设计了一种受自振荡启发的软体机器人，该机器人在微机器人领域表现出显著优势。王等人[27]制备了一种受玉米苞叶启发的多层涂层，该涂层在极端温度下表现出优异的韧性、化学稳定性和耐久性。此外，复合夹层结构核心在能量吸收方面发挥了重要作用，在抗冲击性能方面具有显著的应用前景[28]、[29]、[30]。杨等人[31]研究了不同冲击能量和铺设角度下夹层结构的抗冲击性能，实验结果表明增加[±45°]的层数可以降低损伤程度。郭等人[32]总结了不同类型夹层结构的抗冲击性能，发现通过核心设计可以显著提高抗冲击性能。

由于CFRP夹层材料的各向异性，其失效机制较为复杂。关于CFRP夹层结构抗冲击性能的研究主要集中在第一次冲击[33]、[34]、[35]上。随着结构受损，承载能力会不同程度地下降，剩余承载能力通过耐损伤能力来表示。后续关于重复抗冲击能力和耐损伤能力的研究相对较少。因此，本文创新性地设计了一种受肌肉骨骼系统启发的仿生复合材料夹层结构。该结构充分利用了肌肉骨骼系统的协调功能，通过3D打印工艺制备的延性材料模拟肌肉系统来拉动骨骼并保持姿态，通过热压工艺制备的脆性材料模拟骨骼系统来支撑和保护主体结构。当结构受到外部载荷时，首先出现肌肉系统的变形，随后骨骼系统会移动以避免肌肉系统过度变形。一旦骨骼系统受损，会被未受损的部分替代，以保持整体的机械性能。这种仿生复合材料夹层结构不是简单的形态模拟，而是一种功能性应用。通过重复冲击实验研究了其变形协调机制、重复能量吸收特性和耐损伤性能。总体而言，这项研究可以显著促进CFRP夹层结构在工程中的应用。

设计与制备

设计了具有负泊松比特性的星形三角形结构，根据初步研究[29]分析了蜂窝壁的长度和厚度以及弹性模量和压缩强度。为了提高抵抗多次冲击的能力，如图1(a)所示，设计了仿生肌肉系统（BMS）和仿生骨骼系统（BSS）。BMS在协调变形中发挥作用，具有较高的韧性并能够保持稳定性。

动态冲击过程

样品HP8的动态冲击过程如图2(a)所示。总体而言，随着脉冲能量的增加，损伤程度会变得更加严重，如补充图1所示。在低和中等脉冲能量下，星形核心的侧向收缩较为轻微，冲击过程中没有明显的损伤。在高脉冲能量下，中心区域的星形结构完全闭合。由于快速的动态响应，相邻的三角形结构会受到

结论

本文设计了一种受肌肉骨骼系统启发的MBCSS，并对其进行了局部冲击实验。样品通过热压工艺、3D打印工艺和混合工艺制备。使用ABAQUS软件预测了MBCSS的动态响应，结果表明MBCSS表现出优异的抗冲击性能和耐损伤能力。在单次冲击下，MBCSS的侧向变形最小。

作者贡献声明

刘志康：撰写——初稿。李飚：撰写——审阅与编辑。刘佳怡：指导与方法论。黄伟：实验研究。熊健：撰写——审阅与编辑。

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。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12172140、12272147）、华中科技大学跨学科研究计划（项目编号：2024JCYJ032）、国家重点研发计划（项目编号：2025YFE0124500）以及中央高校基本科研业务费（华中科技大学项目编号：2025JYCXJJ005）的支持。JX项目得到了瞬态冲击科学技术实验室的支持。