尽管天然材料从构造角度并不出众，但却往往展现出惊人的力学性能。这种看似矛盾的特性可以归因于其层次化的组织结构，这种结构增强了构件的性能。骨骼就是一个经典的例子：轻质、刚性强、强度高且韧性良好。这种性能组合主要归功于其微观结构，其中骨单位能够偏转和阻止裂纹。在这项工作中，通过纤维增强复合材料来模拟骨骼微观结构：进行了数值参数研究，通过改变骨单位结构（osteon-like structures；OLS）的层压顺序和代表骨间层板的互联层，制造和测试单个 OLS 作为概念验证。结果表明，OLS 和互联层在偏转和阻止裂纹方面发挥着关键作用，而多种材料的组合会影响弹性性能。最后，引入中空的 OLS，不会影响断裂韧性，并且可用于扩展材料的性能，为新型多功能复合材料铺平道路。

 

 

一、引言

 

纤维增强复合材料（Fiber reinforced composite；FRC）因其优异的力学性能，在工程应用中逐渐取代金属材料。然而，FRC 的耐损伤和断裂韧性较差，限制了其应用范围。为了提高 FRC 的力学性能，研究人员尝试了多种方法，例如使用更先进的纺织技术、增韧基体材料以及引入石墨烯层等。然而，这些方法往往需要复杂的制造工艺或牺牲材料的其他性能。

 

近日，国际知名期刊《Composites Science and Technology》发表了一篇由意大利热那亚大学机械、能源、管理和运输工程系以及米兰理工大学机械工程系的研究团队完成的关于仿生骨单位结构的研究结果。该研究通过OLS和层间连接层，设计并制造了新型的纤维增强复合材料。研究发现，OLS 和层间连接层可以有效偏转和阻止裂纹扩展，从而提高材料的损伤容限和断裂韧性。该研究为开发高性能、轻质、多功能复合材料提供了新的思路。论文标题为“Bone osteon-like structures: A biomimetic approach towards multiscale fiber-reinforced composite structures”。

 

二、内容简介

 

用于创建仿生层压板的基本材料包括环氧树脂、单向碳纤维（unidirectional glass fiber;UD CF）和单向玻璃纤维（unidirectional carbon fiber;UD GF）。基于这些材料，设计了不同层数和不同角度取向的OLS，以及两种类型的层压板结构，即Bio-A和Bio-B。Bio-A 结构包含不同纤维方向和材料的四层骨组织结构，旨在探索和优化骨单位的层压序列，Bio-B 结构包含三层骨组织结构和五层单向碳纤维层，均嵌入环氧树脂基体中。Bio-B结构评估了不同间质层铺设序列对整体层压板性能的贡献。

 

数值模型的建立采用了迭代过程，包括线性弹性、屈曲和扩展有限元方法（extended finite element method,XFEM）模拟，以评估不同配置在承载能力、韧性和损伤容忍性方面的表现。制造和测试过程描述了使用丝束缠绕技术制造OLS，以及在压缩和三点弯曲条件下对样品进行的实验测试。文中还提到了为确保层压板具有一定纤维体积分数而采取的特定后处理步骤，以及用于评估实际纤维体积分数的燃烧损失测试。

 

图 1. 骨的层次结构。（a）股骨；（b）股骨横截面显示纤维板层组织（外）、皮质组织（中）和骨髓（内）；（c）由胶原纤维和矿物晶体制成的哈弗斯系统（右）的放大图，并与由碳纤维、玻璃纤维和环氧树脂制成的仿生复合材料（左）进行比较；（d）胶原纤维，以胶原纤维束的形式表示。（e）矿化胶原纤维；（f）矿物聚集体，包括羟基磷灰石；（i）胶原纤维的分子成分（即原胶原）；（j）多肽链的放大图。

 

 

图 2. (a) Bio-A 结构中 OLS 铺层的示意图，其中堆叠序列采用的角度定义；(b) Bio-A 层压板的横截面；(c) Bio-B 层压板的横截面；(d) Bio-B 的 3D 表示，具有三层 OLS 和五个 UD 间隙层；(e) Bio-A 和 Bio-B 样本的三点弯曲 XFEM 模型设置和网格细节。

 

数值模拟部分评估了不同层压板配置在拉伸和屈曲条件下的刚度和临界屈曲载荷，发现[CF(0/±30/90)]层压板配置在两种加载条件下均表现最佳,具有最高的刚度和屈曲载荷。XFEM模拟结果表明，OLS在不引入关键应力集中的情况下成功地偏转了裂纹，特别是当采用[CF(45/0/-45/90)]层压板配置时，裂纹能够在基体中启动并被OLS阻挡。

 

实验测试部分包括压缩和三点弯曲测试，测试结果显示CF和CF/GF OLS在压缩条件下的应力-应变行为，以及两种不同层压板配置在三点弯曲条件下的性能对比。实验数据与数值模拟结果在压缩刚度方面吻合良好，但可能由于制造过程中引入的缺陷，在三点弯曲条件下的CF OLS的实验刚度高于数值预测。此外，通过燃烧损失测试得到的纤维体积分数与模拟中使用的0.65的初始假设相符，验证了制造过程的有效性。

 

图 3. (a) 具有 (±45◦) 单层空心 OLS 的 Bio-A 的 XFEM 结果；(b) 具有四层 [CF(0/±45/90)] OLS 的 Bio-A 的 Von Mises 应力和 XFEM 结果；(c) 具有堆叠序列 [CF(45/0/-45/90)] 的 Bio-A 四层 OLS 的 Von Mises 应力和 XFEM 结果。

 

该文章深入分析了实验和模拟结果，讨论了不同层压板配置对结构性能的影响。重点讨论了Bio-A和Bio-B两种结构配置在拉伸和屈曲条件下的表现，指出[CF(0/±30/90)]层压板在宏观弹性效应下提供了最佳的刚度和临界屈曲载荷，但同时指出这种配置在压缩条件下可能面临纤维微屈曲的问题。通过XFEM模型验证了具有Haversian管的OLS在适当的层压板配置下不会引起裂纹的形成。此外，讨论了不同层压板配置对裂纹偏转和结构韧性的影响，特别是Bio-B配置由于增加了间质层，展现出比Bio-A更高的刚度和韧性。还讨论了制造技术对实验结果的影响，指出制造过程中的连续性和一致性对复合材料性能至关重要。同时，讨论了仿生结构设计的局限性，并提出了未来研究方向，包括开发可靠的制造技术以生产更小尺寸的OLS，以及探索不同尺度的复合材料设计。

 

图 4. 有和没有预先存在的裂纹的 Bio-A 和 Bio-B 的应力-应变曲线，分别用实线和虚线表示。对于这两种配置，OLS 铺层都是 [CF(±45/90)]。应力和应变是根据力-位移数据计算得出的，对应于中心部分受力最大的点。右边的两幅图显示了 Bio-B (顶部) 的 XFEM 结果，其中裂纹被第一层 OLS 阻止；和 Bio-A (底部)，其中裂纹被第二层 OLS 阻止。

 

三、 小结

 

该研究通过仿生骨单位结构，设计并制造了新型的纤维增强复合材料。研究发现，OLS 和层间连接层可以有效偏转和阻止裂纹扩展，从而提高材料的损伤容限和断裂韧性。该研究为开发高性能、轻质、多功能复合材料提供了新的思路。

 

原始文献：

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.

原文链接：

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

 

来源：复合材料力学

关键词： 纤维增强复合材料