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复合结构优异的抗冲击性能使其在交通、土木工程、航空航天、国防和军事等领域得到了广泛的应用。螳螂虾附肢是一种高抗冲击生物材料，能够通过独特的复合微结构提供强度与韧性之间的平衡。螳螂虾附肢中不同的区域具有不同力学特性。其中，冲击区域的抗冲击性最强，该区域由正弦分布排列的高度矿化纤维组成。周期区域由矿化的几丁质纤维组成，以螺旋交织的角度排列，能够增加结构断裂所需的能量。然而，不同区域在冲击断裂过程中的力学行为尚不清楚，各种微结构对断裂阻力的综合影响值得进一步探索。 2023年，复合材料TOP期刊《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》发表了杭州电子科技大学在具有高抗冲击性能的仿生复合结构方面的研究工作，论文标题为“An ingenious composite microstructure of mantis shrimp appendage for improving impact resistance”，通讯作者为机械工程学院的杨肖教授。
该研究对螳螂虾附肢进行了落锤冲击试验，并利用扫描电子显微镜对其断裂表面进行了观察。根据附肢微结构的仿生灵感，设计了一种由刚性外层和柔性内层组成的仿生复合结构。柔性层中的纤维呈纵向正弦排列，在发生断裂时对裂纹尖端起到屏蔽作用。通过数值模拟进一步证实了微结构的增韧机理，证明纤维的纵向排列能够分散应力集中从而延缓断裂过程。此外，纤维的正弦排列不仅有助于连接刚性层和柔性层，还能引导裂纹路径的偏离。这项研究对抗冲击复合材料的结构设计具有启发意义。 作者通过观察螳螂虾附肢断裂表面的微观结构，将其区分为冲击表面、冲击区域与周期区域（图1）。通过能谱仪与拉曼光谱分析了螳螂虾附肢各区域的化学成分（图2）。Ca在整个横截面上均匀分布，C在周期区域富集，P主要存在于冲击表面和冲击区域。该结果表明周期区域主要由碳酸钙组成，冲击表面与冲击区域主要由磷酸钙组成。
图1 螳螂虾附肢的宏观图片和微观结构
图2 螳螂虾附肢的化学成分和拉曼光谱：(a) 平均EDS光谱；(b) C、P、Ca元素的EDS图谱；(c) 三个不同区域中800-1200 cm-1范围内的拉曼光谱；(d) 三个不同区域中2800-3000 cm-1范围内的拉曼光谱 图3对比了不同区域内断裂横截表面的微观结构。在冲击表面的断裂截面处观察到明显的凹陷，纵向裂纹在界面附近发生偏转，且表现为典型的准脆性断裂模式。在冲击区域形成了正弦几何结构，靠近冲击表面的区域仍表现为脆性断裂，而与周期区域的交界处则以韧性断裂为主要失效模式。周期区域中，扭曲的螺旋结构清晰且均匀，破裂的纤维束具有锯齿状的结构，在纤维束之间能够观察到纵向孔道，该结构为材料提供了增韧的效果。
图3 不同区域断裂横截表面的SEM微观结构：(a-b) 冲击表面；(c-d) 冲击区域；(e-f) 周期区域 为了有效的调节冲击，螳螂虾附肢被分为两个关键部件：刚柔耦合结构和纤维几何排列结构。受到螳螂虾附肢结构的启发，作者提出了三种具有不同纤维排列的模型，并通过数值模拟验证它们在抵抗裂纹扩展方面的性能（图4（a)）。顶部刚性层以Al2O3涂层作为外部保护层以降低失效风险。内部柔性层由碳纤维/PEEK复合材料组成，以调节局部应力。其中，模型I由无纵向纤维束的正弦纤维束构成；模型II由添加了纵向纤维束的普通纤维束构成；模型III由纵向纤维束与正弦纤维束的组合构成。此外，在不改变整体尺寸的情况下，将仿周期区域的螺旋结构加入模型III的柔性层中作为模型IV（图4（b)）。
图4 (a) 仿生结构模型I、II、III示意图；(b) 仿生结构模型IV示意图（单位：mm） 图5对比了模型I、II、III的垂直应力，发现纵向排列的纤维束使模型II与模型III具有更广且更均匀的应力分布，其应力值均低于模型I。根据冲击载荷-时间曲线（图6（a)），模型III中的载荷表现出较慢的下降和较低的峰值力，结果可归因于纵向排列和正弦排列的协同机制，使结构的强度和韧性得到了平衡。此外，模型III优异的能量吸收性能表现出比模型I和II更好的抗冲击性（图6（b)）。
图5 (a) 模型I、(b) 模型II和(c) 模型III的垂直应力云图；(d) 垂直应力沿模型纵向分布
图6 三种不同模型的 (a) 冲击载荷-时间曲线与 (b) 吸收能量-时间曲线 对比不同模型的裂纹扩展路径（图7），模型II中刚性层的末端出现横向裂纹，导致刚性层和柔性层脱胶和分离。在引入正弦排列后，观察到刚性层末端的裂纹在直线上传播的频率较低，而是沿着正弦界面生长。这表明正弦排列的纤维束有助于增强刚性层和柔性层之间界面的强度，从而有助于保持结构的完整性。对比模型I与模型III，刚性层中的应力通过纵向排列的纤维束得到有效的调节，延缓了刚性层的损坏。
图7 裂纹扩展过程中(a) 模型I、(b) 模型II和(c) 模型III的损伤分布 通过对模型IV的数值模拟结果的观察（图8），将螺旋结构引入柔性层破坏了垂直传播的应力，并产生了不连续的应力分布模式。螺旋结构作为一个有效的屏障，阻碍了应力的传播，减弱了冲击应力。与模型III相比，模型IV裂纹长度明显较短，这意味着引入螺旋结构可以增强结构的抗裂性。
图8 模型IV的数值模拟结果：(a)垂直应力分布图和（b）损伤分布。 螳螂虾附肢宏观层面的多区域结构和微观层面的纤维排列是其高抗冲击性能的主要原因。基于螳螂虾附肢的微观结构，提出了一种具有多纤维排列的刚柔耦合仿生结构。通过模拟仿生结构的裂纹产生和扩展过程发现，纤维的纵向排列可以增强对刚性层中裂纹产生和扩展的抵抗力；纤维的正弦排列会导致裂纹偏离垂直向下的方向，并通过延长裂纹路径来增加能量耗散。此外，纤维的螺旋结构增加了整个结构的强度，有助于保持结构的完整性。多种特殊的纤维束排列相组合的仿生结构性能优于单一纤维束排列结构，这将启发航空航天、汽车和建筑等行业关键部件的耐久性和安全性结构设计。 原始文献 Xiao Yang; Ming Wang; Pucun Bai; Shichao Niu; Honglie Song; Jing Ni; Chun Shao; Xuwei Cao. An ingenious composite microstructure of mantis shrimp appendage for improving impact resistance[J]. Composites Science and Technology,2023,Vol.244: 110310 原文链接 https://www./science/article/abs/pii/S0266353823004049 稿件整理：岳德宇 责任编辑：张鑫 本文经原文献作者审核同意后发布，如需转发，请与责任编辑联系。
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