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盡管天然材料從構(gòu)造角度并不出眾，但卻往往展現(xiàn)出驚人的力學(xué)性能。這種看似矛盾的特性可以歸因于其層次化的組織結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了構(gòu)件的性能。骨骼就是一個(gè)經(jīng)典的例子：輕質(zhì)、剛性強(qiáng)、強(qiáng)度高且韌性良好。這種性能組合主要?dú)w功于其微觀結(jié)構(gòu)，其中骨單位能夠偏轉(zhuǎn)和阻止裂紋。在這項(xiàng)工作中，通過纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來模擬骨骼微觀結(jié)構(gòu)：進(jìn)行了數(shù)值參數(shù)研究，通過改變骨單位結(jié)構(gòu)（osteon-like structures；OLS）的層壓順序和代表骨間層板的互聯(lián)層，制造和測(cè)試單個(gè) OLS 作為概念驗(yàn)證。結(jié)果表明，OLS 和互聯(lián)層在偏轉(zhuǎn)和阻止裂紋方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，而多種材料的組合會(huì)影響彈性性能。最后，引入中空的 OLS，不會(huì)影響斷裂韌性，并且可用于擴(kuò)展材料的性能，為新型多功能復(fù)合材料鋪平道路。

一、引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber reinforced composite；FRC）因其優(yōu)異的力學(xué)性能，在工程應(yīng)用中逐漸取代金屬材料。然而，F(xiàn)RC 的耐損傷和斷裂韌性較差，限制了其應(yīng)用范圍。為了提高 FRC 的力學(xué)性能，研究人員嘗試了多種方法，例如使用更先進(jìn)的紡織技術(shù)、增韌基體材料以及引入石墨烯層等。然而，這些方法往往需要復(fù)雜的制造工藝或犧牲材料的其他性能。

近日，國際知名期刊《Composites Science and Technology》發(fā)表了一篇由意大利熱那亞大學(xué)機(jī)械、能源、管理和運(yùn)輸工程系以及米蘭理工大學(xué)機(jī)械工程系的研究團(tuán)隊(duì)完成的關(guān)于仿生骨單位結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果。該研究通過OLS和層間連接層，設(shè)計(jì)并制造了新型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，OLS 和層間連接層可以有效偏轉(zhuǎn)和阻止裂紋擴(kuò)展，從而提高材料的損傷容限和斷裂韌性。該研究為開發(fā)高性能、輕質(zhì)、多功能復(fù)合材料提供了新的思路。論文標(biāo)題為“Bone osteon-like structures: A biomimetic approach towards multiscale fiber-reinforced composite structures”。

二、內(nèi)容簡(jiǎn)介

用于創(chuàng)建仿生層壓板的基本材料包括環(huán)氧樹脂、單向碳纖維（unidirectional glass fiber;UD CF）和單向玻璃纖維（unidirectional carbon fiber;UD GF）。基于這些材料，設(shè)計(jì)了不同層數(shù)和不同角度取向的OLS，以及兩種類型的層壓板結(jié)構(gòu)，即Bio-A和Bio-B。Bio-A 結(jié)構(gòu)包含不同纖維方向和材料的四層骨組織結(jié)構(gòu)，旨在探索和優(yōu)化骨單位的層壓序列，Bio-B 結(jié)構(gòu)包含三層骨組織結(jié)構(gòu)和五層單向碳纖維層，均嵌入環(huán)氧樹脂基體中。Bio-B結(jié)構(gòu)評(píng)估了不同間質(zhì)層鋪設(shè)序列對(duì)整體層壓板性能的貢獻(xiàn)。

數(shù)值模型的建立采用了迭代過程，包括線性彈性、屈曲和擴(kuò)展有限元方法（extended finite element method,XFEM）模擬，以評(píng)估不同配置在承載能力、韌性和損傷容忍性方面的表現(xiàn)。制造和測(cè)試過程描述了使用絲束纏繞技術(shù)制造OLS，以及在壓縮和三點(diǎn)彎曲條件下對(duì)樣品進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。文中還提到了為確保層壓板具有一定纖維體積分?jǐn)?shù)而采取的特定后處理步驟，以及用于評(píng)估實(shí)際纖維體積分?jǐn)?shù)的燃燒損失測(cè)試。

圖 1. 骨的層次結(jié)構(gòu)。（a）股骨；（b）股骨橫截面顯示纖維板層組織（外）、皮質(zhì)組織（中）和骨髓（內(nèi)）；（c）由膠原纖維和礦物晶體制成的哈弗斯系統(tǒng)（右）的放大圖，并與由碳纖維、玻璃纖維和環(huán)氧樹脂制成的仿生復(fù)合材料（左）進(jìn)行比較；（d）膠原纖維，以膠原纖維束的形式表示。（e）礦化膠原纖維；（f）礦物聚集體，包括羥基磷灰石；（i）膠原纖維的分子成分（即原膠原）；（j）多肽鏈的放大圖。

圖 2. (a) Bio-A 結(jié)構(gòu)中 OLS 鋪層的示意圖，其中堆疊序列采用的角度定義；(b) Bio-A 層壓板的橫截面；(c) Bio-B 層壓板的橫截面；(d) Bio-B 的 3D 表示，具有三層 OLS 和五個(gè) UD 間隙層；(e) Bio-A 和 Bio-B 樣本的三點(diǎn)彎曲 XFEM 模型設(shè)置和網(wǎng)格細(xì)節(jié)。

數(shù)值模擬部分評(píng)估了不同層壓板配置在拉伸和屈曲條件下的剛度和臨界屈曲載荷，發(fā)現(xiàn)[CF(0/±30/90)]層壓板配置在兩種加載條件下均表現(xiàn)最佳,具有最高的剛度和屈曲載荷。XFEM模擬結(jié)果表明，OLS在不引入關(guān)鍵應(yīng)力集中的情況下成功地偏轉(zhuǎn)了裂紋，特別是當(dāng)采用[CF(45/0/-45/90)]層壓板配置時(shí)，裂紋能夠在基體中啟動(dòng)并被OLS阻擋。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分包括壓縮和三點(diǎn)彎曲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示CF和CF/GF OLS在壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變行為，以及兩種不同層壓板配置在三點(diǎn)彎曲條件下的性能對(duì)比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果在壓縮剛度方面吻合良好，但可能由于制造過程中引入的缺陷，在三點(diǎn)彎曲條件下的CF OLS的實(shí)驗(yàn)剛度高于數(shù)值預(yù)測(cè)。此外，通過燃燒損失測(cè)試得到的纖維體積分?jǐn)?shù)與模擬中使用的0.65的初始假設(shè)相符，驗(yàn)證了制造過程的有效性。

圖 3. (a) 具有 (±45?) 單層空心 OLS 的 Bio-A 的 XFEM 結(jié)果；(b) 具有四層 [CF(0/±45/90)] OLS 的 Bio-A 的 Von Mises 應(yīng)力和 XFEM 結(jié)果；(c) 具有堆疊序列 [CF(45/0/-45/90)] 的 Bio-A 四層 OLS 的 Von Mises 應(yīng)力和 XFEM 結(jié)果。

該文章深入分析了實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，討論了不同層壓板配置對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。重點(diǎn)討論了Bio-A和Bio-B兩種結(jié)構(gòu)配置在拉伸和屈曲條件下的表現(xiàn)，指出[CF(0/±30/90)]層壓板在宏觀彈性效應(yīng)下提供了最佳的剛度和臨界屈曲載荷，但同時(shí)指出這種配置在壓縮條件下可能面臨纖維微屈曲的問題。通過XFEM模型驗(yàn)證了具有Haversian管的OLS在適當(dāng)?shù)膶訅喊迮渲孟虏粫?huì)引起裂紋的形成。此外，討論了不同層壓板配置對(duì)裂紋偏轉(zhuǎn)和結(jié)構(gòu)韌性的影響，特別是Bio-B配置由于增加了間質(zhì)層，展現(xiàn)出比Bio-A更高的剛度和韌性。還討論了制造技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，指出制造過程中的連續(xù)性和一致性對(duì)復(fù)合材料性能至關(guān)重要。同時(shí)，討論了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限性，并提出了未來研究方向，包括開發(fā)可靠的制造技術(shù)以生產(chǎn)更小尺寸的OLS，以及探索不同尺度的復(fù)合材料設(shè)計(jì)。

圖 4. 有和沒有預(yù)先存在的裂紋的 Bio-A 和 Bio-B 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分別用實(shí)線和虛線表示。對(duì)于這兩種配置，OLS 鋪層都是 [CF(±45/90)]。應(yīng)力和應(yīng)變是根據(jù)力-位移數(shù)據(jù)計(jì)算得出的，對(duì)應(yīng)于中心部分受力最大的點(diǎn)。右邊的兩幅圖顯示了 Bio-B (頂部) 的 XFEM 結(jié)果，其中裂紋被第一層 OLS 阻止；和 Bio-A (底部)，其中裂紋被第二層 OLS 阻止。

三、 小結(jié)

該研究通過仿生骨單位結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制造了新型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，OLS 和層間連接層可以有效偏轉(zhuǎn)和阻止裂紋擴(kuò)展，從而提高材料的損傷容限和斷裂韌性。該研究為開發(fā)高性能、輕質(zhì)、多功能復(fù)合材料提供了新的思路。

原始文獻(xiàn)：

Stagni, A., Trevisan, G., Vergani, L., & Libonati, F. (2024). Bone osteon-like structures: A biomimetic approach towards multiscale fiber-reinforced composite structures. Composites Science and Technology, 254, 110669.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110669