结合错层结构和梯度设计，文章提出了一种具有梯度错层结构的二维生物仿生珍珠层复合材料。采用实验和数值模拟方法研究了常规错层和梯度错层仿珍珠层复合材料中裂纹的起裂和扩展行为。使用3D打印技术制造了具有预制裂纹的仿生复合材料样品，并进行了单轴拉伸试验，以探索其裂纹扩展行为。对于具有周期性错层结构的仿生复合材料，发现错层角度在复合材料的增韧机制中起着重要作用。在具有大错层角度的仿生复合材料中，通过结构梯度设计实现了裂纹抑制效应，有效防止了灾难性失效。在数值分析框架内，采用粘聚力区建模方法来表示材料的较软相，并通过与实验结果的直接比较验证了数值模拟。此外，还进行了一系列数值分析，以理解结构梯度如何影响这些珍珠层复合材料中裂纹的扩展。这项研究不仅阐明了错层珍珠层复合材料固有的变形和增韧机制，而且还为通过结构梯度设计仿生材料开辟了新的策略。

一、 引言

生物材料在长期进化过程中，通过结构优化实现了优异的力学性能。珍珠层作为典型的生物材料，其独特的“砖-泥”结构赋予了其高强度、高刚度和高韧性的特性。近年来，研究者们致力于仿生珍珠层复合材料的设计与制备，以期在航空航天、汽车等领域获得应用。错层结构是珍珠层增韧的重要机制之一，但其过强的错层效应会导致材料韧性下降。此外，梯度设计在生物材料中广泛存在，其对材料力学性能的影响也受到关注。目前，关于错层结构和梯度设计对仿生珍珠层复合材料裂纹扩展行为的影响机制仍需深入研究。

近日，期刊《Composite Structures》发表了一篇由北京航空航天大学国家重点实验室的研究团队完成的有关梯度错层结构仿珍珠层复合材料裂纹扩展行为研究的成果。该研究通过实验和数值模拟方法，探究了具有梯度错层结构的仿珍珠层复合材料的裂纹扩展行为，并分析了错层角度和梯度设计对材料力学性能的影响。论文标题为“Experimental and numerical investigation on crack propagation in biomimetic nacreous composites with gradient structures”。

二、研究内容及方法

文章设计了两种类型的预裂纹试样：规则互锁复合材料（regular interlocked composites；RICs）和梯度互锁复合材料（gradient interlocked composites；GICs），这些试样由Objet Connex260多材料3D打印机制造。该打印机能够同时打印两种或更多类型的材料，每种材料通过打印头喷射并通过紫外线光固化，从而在不同材料之间产生优异的粘附性。使用刚性聚合物VeroWhitePlus（VW+）和类似橡胶的聚合物TangoBlackPlus（TB+）分别作为硬砖和软基质相。所有试样沿面板的相同方向打印以消除打印方向的影响。为了便于测试机的夹持，试样的两端用VW+材料打印出夹持区域。因此，实验中获得的应变等于测试机位移除以有效宽度，应力等于支撑反力除以最大横截面积。

此外，测试前还使用刀片加深并锐化了裂纹。使用的测试设备包括50 KN Instron伺服液压疲劳试验机和数字相机，加载过程通过位移控制，加载速率为1毫米/分钟，直至试样失效。加载数据和试样在实验过程中的图像以每秒钟20点和每分钟12张照片的速率记录。

图 1. (a) 由 Objet Connex260 多材料 3D 打印机准备的 3D 打印样品。(b) 实验装置包括测试机和数码相机。

文章采用有限元软件Abaqus/Explicit建立了仿珍珠层复合材料模型。首先建立了经典砖-砂浆结构代表性体积单元 (representative volume element；RVE) 模型，并讨论了错层角度α对砖形状的影响。以α作为变量，基于α的不同值，砖的形状可以分为三种情况：反梯形（α > 0°）、矩形（α = 0°）和梯形（α < 0°）。文中特别关注矩形和反梯形砖结构的裂纹扩展行为，并通过模拟方法探讨了梯形砖结构对珍珠层复合材料裂纹扩展行为的影响。

建立了五个不同互锁角的RIC有限元模型，并预设了一个垂直于层的单边裂纹，裂纹长度保持为宽度的约10%，以确保所有试样的初始裂纹尖端都位于砖内。边界条件模拟实验中的夹持，模型在左端固定，右端施加均匀位移载荷。

对于GIC，提出了三种不同梯度结构设计的方案，梯度复合材料通过沿x轴重复RVE形成单层，然后将包含特定互锁角的层沿y轴堆叠，堆叠方式称为分布形式。文中采用了从0°到9°的线性分布的互锁角，模拟了竹节截面的组成梯度和生物启发的Bouligand结构的方向梯度，以初步检验梯度设计的互锁角是否可以防止复合材料的灾难性破坏。

图 2. (a) 珍珠层状复合材料中 RVE 的几何模型；(b) 代表性规则互锁复合材料 (RIC-4◦) 的有限元模型及边界条件。

关于用于制造仿生珍珠层复合材料的两种光固化聚合物TB+和VW+，分别代表砂浆和砖块。文中展示了这两种基本组分在实验中在拉伸下的力学响应，以及硬相材料在数值模拟中的行为。由于实验中不同相之间的粘附性极佳，模型中忽略了砖块和砂浆之间的界面。采用内聚区模型（cohesive zone model；CZM）来代替薄厚度的软相材料，解决了有限元模拟模型中的收敛问题，同时提高了计算效率。文中假设软相材料表现出线弹性断裂行为，并确定了四个CZM参数：法向刚度、法向强度、切向刚度和切向强度。通过反向推断结合实验得到的单轴拉伸应力-应变曲线结果，确定了RIC-0°样品的CZM参数，最终得到的CZM参数与文献中的数据一致。

图 3. （a）梯度互锁复合材料的构型，其中包含沿 y 轴的三种分布形式的互锁角。图片显示了（b）参考文献 [66] 中的成分梯度的分布和（c）参考文献 [67] 中的取向梯度的分布。

图 4. (a) 实验和模拟中组件的机械行为。(b) 经典砖砂浆模型中的 RVE。

文章还通过实验和数值模拟探讨了RICs和GICs在裂纹扩展过程中的变形和增韧机制。实验结果显示，当互锁角较小时，RICs的应力-应变响应可以分为四个阶段，每个阶段都伴随着不同的裂纹扩展和增韧行为，如微裂纹、裂纹桥接、裂纹偏转和砖块拉出等。梯度互锁结构通过改变互锁角度的分布，能够有效调节裂纹扩展路径，增加裂纹偏转和裂纹捕获机制，从而提高材料的韧性。这些机制共同作用，显著提高了复合材料的力学性能，尤其是在防止灾难性破坏方面表现出显著的效果。

图 5. (a) 单轴拉伸试验下预缺口 RIC 的应力-应变图和变形过程中不同互锁角的 RIC 的断裂扩展图像：(b) α = 0°，(c) α = 2°，(d) α = 4°，(e) α = 6°，(f) α = 8°。

数值模拟得到的预制裂纹RICs和GICs在单轴拉伸下的应力-应变曲线，与实验数据在总体趋势上一致，显示出数值模拟能够很好地描述复合材料的弹性阶段和随后的非线性裂纹扩展行为。通过对比实验和模拟中裂纹的起始和扩展过程，发现模拟能够再现实验中观察到的四个变形阶段和增韧机制，如非局部裂纹、裂纹桥接和裂纹偏转。尽管数值模拟在峰值应力的预测上略有低估，但总体上能够捕捉到复合材料的力学行为，验证了数值模拟方法在描述这类复合材料裂纹扩展行为中的有效性。

图 6. (a) 单轴拉伸试验下预缺口GICs的应力-应变图和变形过程中不同梯度设计的GICs的断裂扩展图像：(b) GIC1-[0°9°]2，(c) GIC2-[0°9°]s，(d) GIC3-[9°0°]s。

研究发现，引入具有互锁角度的梯度设计可以防止由大互锁角度引起的灾难性破坏，为优化设计提供了可能性，这种设计同时增强了材料的强度和韧性。在梯度互锁模拟珍珠层复合材料的裂纹扩展过程中，当裂纹尖端扩展到非互锁区域时，会发生裂纹偏转，成功捕获并阻止裂纹扩展，从而防止了复合材料的灾难性破坏。此外，研究还探讨了梯度设计参数对复合材料裂纹扩展行为的影响，发现梯度周期数和最大互锁角度的不同组合对材料的强度和韧性有不同的影响，梯度设计优化可以显著提高复合材料的力学性能。

图 7. 单轴拉伸下预切口（a）RIC 和（b）GIC 的应力-应变曲线的数值结果。（c）RIC-0◦ 和（d）GIC1 在实验和模拟中的详细变形过程比较。

三、 小结

该研究揭示了错层角度和梯度设计对仿生复合材料裂纹扩展行为的影响机制，为设计具有高强高韧性的生物仿生材料提供了新的思路。

原始文献：

Tong Xia, Shaokang Cui, Zhenyu Yang, Zixing Lu. Experimental and numerical investigation on crack propagation in biomimetic nacreous composites with gradient structures. Composite Structures 345 (2024) 118346.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118346