本文由浙江大学材料科学与工程学院的Wenting Ouyang、Jiafan Feng、Lei Yan、Tingting Wang、Huan Wang、Bowen Gong、Xiang Gao以及通讯作者Hua-Xin Peng合作完成，发表在学术期刊《Composites Science and Technology》第275卷（2026年），文章标题为“symmetrical gradient design of helicoidal composite laminates for enhanced damage tolerance”。这是一项关于仿生复合材料层合板设计的原创性研究。

一、 研究背景

碳纤维增强聚合物基复合材料因其轻质、力学性能可设计性强以及制备工艺相对成熟，被广泛应用于航空航天、交通运输等诸多工业领域。对于层合板而言，其力学性能可以通过改变各层的纤维铺放角度和铺层顺序进行精细调控，这是实现复合材料“量身定制”优势的关键。近年来，受自然界甲壳类动物外骨骼中独特的布利冈结构启发，研究者们开发了螺旋铺层结构复合材料。与传统单向、正交铺层或准各向同性层合板相比，这种仿生螺旋层合板展现出更优异的承载能力和损伤阻抗。

布利冈结构本质上是一种螺旋排列的纤维构型。深入研究表明，螺旋层合板的力学性能改善主要归因于铺层间旋转角的合理选择，该参数决定了层合板的损伤起始与演化机制。较小的旋转角容易激活基体分裂和裂纹扭转机制，从而有效抑制分层；而较大的旋转角则能抵抗层内基体开裂，但可能促进层间损伤和纤维损伤。因此，旋转角在裂纹扭转、分层和纤维损伤模式之间起着关键的权衡作用，其“最优值”并非固定不变，而是依赖于材料体系和载荷条件。这意味着单一旋转角构成的螺旋结构单元在特定应用场景中存在局限性。

自然界提供了另一条优化策略：通过调控材料的局部性能来满足特定需求，即梯度化设计。许多生物复合材料（如甲壳动物外骨骼）都具有结构梯度特征，例如坚硬的外表面用于抵抗攻击，坚韧的内部区域则负责吸收能量。研究发现，螳螂虾和美洲龙虾等甲壳动物的外骨骼中，其布利冈结构的螺距（对应旋转角）正是以梯度形式排列的。这激发了研究者将不同旋转角的螺旋单元组合，进行区域化构型设计的思路。已有研究表明，模仿龙虾外骨骼的单向梯度螺旋构型（如从外到内旋转角递增或递减）能在一定程度上改善复合材料的力学性能。然而，一个根本性问题随之而来：单向梯度排列是否就是最优的仿生设计策略？

针对这一问题，该研究团队注意到更深入的生物学证据：例如，粉碎型螳螂虾尾节中的脊状区域存在一种近乎对称的梯度螺旋特征，即螺距从外表面向内先增大到最大值，然后再逐渐减小。这种对称梯度结构被认为在进化上对于维持结构刚度与可控柔顺性之间的平衡至关重要，从而实现了卓越的断裂韧性。然而，关于这种对称梯度螺旋构型的设计概念、力学响应及其抗弯曲载荷的潜在机理，此前尚未在复合材料领域得到充分揭示。

基于此背景，本研究旨在探索甲壳动物外骨骼中的对称梯度特征在碳纤维复合材料层合板设计中的适用性。具体目标是：通过模仿梯度螺旋微结构，设计并制备多种包含不同螺旋单元的仿生层合板；通过三点弯曲实验，系统评估和比较这些构型的力学行为和损伤特性，从而识别最合理的螺旋排列方式；并通过参数分析，揭示梯度螺旋构型的优化策略。

二、 研究流程

本研究包含五个主要步骤：1）生物微结构表征；2）仿生设计方案制定；3）样品制备；4）力学性能测试；5）结果分析与讨论。具体流程如下：

首先，进行生物微结构表征。研究人员以活体口虾蛄为研究对象，获取其捕食附肢（dactyl）。利用X射线计算机断层扫描获取其三维宏观形貌，并采用扫描电子显微镜观察其横断面的微观结构。显微观察发现，口虾蛄附肢的内表皮层中存在24个螺距周期，这些螺距呈现出从外向内近乎对称的梯度分布：螺距长度先逐渐增加至最大值，然后稳步减小。这一观察结果为后续的仿生设计提供了直接的生物学原型。

其次，基于生物观察结果，制定仿生设计方案。研究选取了9°、18°和36°三个旋转角作为基本的结构参数单元。一个完整的螺旋单元需分别连续铺放21、11和6层来实现这些旋转角。研究发现，这些仿生单元之间的螺距长度差异与观察到的生物螺距比例关系近似。据此，设计了多组层合板构型，其铺层序列详见表1。主要分为三大类实验探索： - 对照组：设计对称双螺旋构型（Double-Helicoidal, DH），作为性能基准。包括DH9、DH18和DH36，它们上下两半部分以相同的旋转角均匀旋转并关于中面对称铺放。 - 单向梯度螺旋构型：受甲壳动物梯度设计启发，将不同旋转角的螺旋单元沿层合板厚度单向排列。包括GH-I (9-36)（从加载侧到非接触侧旋转角从9°递增至36°）和GH-II (36-9)（旋转角从36°递减至9°），分别模拟螳螂虾和龙虾的构型。 - 对称梯度螺旋构型：模仿图1e所示的生物对称梯度特征，设计了GH-III构型。其特点是结构两侧配置较小的螺距（即较大的旋转角，如36°），中间配置较大的螺距（即较小的旋转角，如9°）。具体包括GH-III (36-9-36)。为探究结构参数的影响，还增加了GH-III (36-18-36)和GH-III (18-9-18)进行对比。

第三，进行样品制备。所有层合板均采用威海光威复合材料有限公司提供的单向碳纤维环氧树脂预浸料（USN 15000/EPW）手工铺贴制备。为便于铺贴并最大化材料利用率，使用数控裁床将预浸料切割成300×300 mm、具有特定纤维取向的单层。随后，按照设计顺序叠层形成预成型板。铺叠好的预浸料采用真空袋封装，并在热压罐中按照团队先前工作中推荐的固化工艺进行固化。由于所设计的梯度螺旋构型关于中面不对称，固化过程中会产生热残余应力导致翘曲。因此，固化后的层合板在0.3 bar压力下冷却6小时以消除热变形。最后，使用水射流切割机从固化层合板中心切割出标准三点弯曲试样，尺寸为120×13×5.92 mm（长×宽×厚），以确保质量并部分释放残余应力。

第四，开展力学性能测试。通过三点弯曲试验评估仿生构型的弯曲力学行为，试验依据ASTM D790标准进行。跨厚比选为16:1。试验在Zwick/Roell万能试验机上进行，采用位移控制，加载速率为1 mm/min。当载荷下降至峰值载荷的10%时，试验终止。每组构型至少测试三个样本以获取平均值。同时，使用相机记录试样的变形和损伤扩展过程，并将力-位移曲线上的特征点与试样的损伤形貌相关联。

第五，结果分析与讨论。这是本研究最核心的部分，结合实验数据、有限元模拟和经典层合板理论，对结果进行了多层次、深入的阐释。 - DH构型的基础研究：首先分析了旋转角对基本螺旋构型力学响应的影响。力-位移曲线显示，随着旋转角增大（从9°到36°），DH构型的弯曲峰值力提高，初始损伤阻抗增强，但最终失效位移减小。损伤分析表明，DH9构型因弯曲/剪切应力更显著，较早出现扩散的基体裂纹，抑制了载荷增长，但能承受更大变形；DH36构型则因应力分散在多个局部区域，初始损伤表现为分层和纤维断裂，承载能力高但破坏呈脆性；DH18构型的损伤机制介于两者之间。这证实旋转角显著影响损伤起始、演化过程和最终失效模式。 - GH设计方案的比较：重点比较了三种梯度螺旋构型的性能。结果表明，单向梯度构型GH-I和GH-II的力学性能（峰值力、残余力和能量耗散）介于其对应的DH基准（DH9和DH36）之间，是一种折衷方案。其根本原因在于，较小旋转角单元（9°）所在区域（GH-I的上半部分或GH-II的下半部分）因应力集中而较早发生基体裂纹，并可能转化为过度扩展的分层，随后仅依靠剩余的大旋转角区域承载。而对称梯度构型GH-III (36-9-36)表现出了卓越的综合性能：其峰值力比其它GH构型和DH基准高出6%–64%，残余力高出28%–139%，总能量耗散高出37%–59%。损伤过程显示，GH-III构型两侧的36°单元延迟了损伤起始，初始损伤表现为分层和纤维损伤；而中间的9°单元则在峰值后激活了稳定的裂纹扭转扩散机制，持续承载，避免了灾难性破坏。这充分利用了36°单元在损伤阻抗和9°单元在损伤容限方面的优势。 - GH-III构型的参数化分析：为进一步探究优化策略，研究了GH-III (18-9-18)和GH-III (36-18-36)。结果显示，GH-III (18-9-18)的性能全面优于其DH基准（DH18和DH9），但提升幅度不及GH-III (36-9-36)。而GH-III (36-18-36)的性能虽优于DH18，但与DH36接近，提升有限。分析指出，这是因为当中间区域的旋转角增大（从9°变为18°）时，其激活的基体裂纹会迅速转化为分层，损伤演化与两侧的36°单元趋于相似，导致性能“收敛”。研究将GH-III构型抽象为两个特征区域：区域1（外侧）决定损伤起始，区域2（内侧）影响残余力学行为。参数分析定量表明：增加区域1的旋转角（θ1）能显著提高层合板的承载能力和能量耗散；而减小区域2的旋转角（θ2）则能有效提升能量耗散。 最优策略是在外侧配置较大的旋转角以抵抗损伤起始，在内侧配置较小的旋转角以促进稳定的裂纹扭转扩散，从而同时实现优异的损伤阻抗和损伤容限。经典层合板理论计算也支持了这一结论，GH-III构型的弯曲-扭转耦合项（D16， D26）显著低于DH基准，表明其铺层更为平衡。

三、 主要结果

本研究的核心结果系统性地揭示了不同螺旋构型的力学行为与损伤机制之间的内在联系，并明确了最优的仿生设计策略。

1. 基准构型结果：DH构型的实验数据为理解旋转角的作用奠定了基础。DH36的峰值力最高（约2.67 kN），但失效位移最短（约9.86 mm），能量耗散为12.59 J；DH9的峰值力最低（约1.72 kN），但失效位移最长（约25.13 mm），能量耗散为11.40 J；DH18的性能介于两者之间。这些数据直观展示了“大旋转角提升强度但牺牲韧性，小旋转角反之”的权衡关系，其背后的损伤模式（DH9以基体裂纹和分层为主，DH36以分层和纤维断裂为主）通过原位观察和有限元应力云图得到了验证。

2. 梯度构型对比结果：梯度设计打破了单一旋转角的限制。GH-I (9-36)和GH-II (36-9)的力-位移曲线和损伤照片显示，其性能确实介于DH9和DH36之间，峰值力分别为1.93 kN和2.31 kN，验证了单向梯度设计的折衷特性。而GH-III (36-9-36)的数据则实现了突破：峰值力达到2.82 kN，不仅高于所有DH构型，也显著高于其他GH构型；同时，其失效位移达到17.85 mm，能量耗散高达17.19 J，实现了强度与韧性的协同提升。表3中的数据对比清晰地展示了这种优势。

3. 对称梯度构型的优化机理结果：参数化分析提供了设计指南。对于θ2固定为9°的GH-III构型，将θ1从9°（即DH9）增加到36°，峰值力从1.72 kN提升至2.82 kN，能量耗散从11.40 J提升至17.19 J。对于θ1固定为36°的GH-III构型，将θ2从36°（即DH36）减小到9°，能量耗散从12.59 J提升至17.19 J（提升37%），而峰值力保持在高位。这些量化结果结合对应的损伤形貌图（图12），强有力地证实了“外刚内韧”的设计原则：外侧大旋转角延迟损伤（高σ1），内侧小旋转角稳定裂纹扩展（高损伤容限）。

四、 研究结论

本研究通过模仿甲壳动物外骨骼的优化策略，提出了多种梯度螺旋设计，并系统研究了结构参数及其组合方式对仿生螺旋复合材料弯曲力学响应和损伤形貌的影响，得出以下核心结论：

1. 传统均匀螺旋层合板的性能受旋转角主导：大旋转角因轴向纤维比例高而承载能力强，但易因分层和纤维损伤主导的失效模式而完全破坏；小旋转角则能触发基体裂纹的扭转扩散机制，抑制纤维断裂，从而贡献优异的残余性能。
2. 单向梯度螺旋设计不可避免地导致较小旋转角单元内的基体裂纹转化为过度扩展的分层，随后的承载仅依赖于剩余的大旋转角区域，其力学性能是相应均匀螺旋基准之间的折衷。
3. 相比之下，采用相同结构参数的对称梯度螺旋设计被证明是调控和降低损伤水平的有效途径。GH-III构型通过在外侧布置大旋转角单元抵抗损伤起始，在内侧布置小旋转角单元促进稳定的亚临界裂纹扩展，实现了最高的承载能力和能量耗散。
4. GH-III构型的性能优越性高度依赖于区域化参数。外侧旋转角的增大会提高损伤阻抗，从而提升其承载能力；而内侧旋转角的减小则会激活稳定的亚临界基体裂纹扭转扩散，防止灾难性失效，进一步增强其损伤容限。位于构型外侧和内侧的螺旋单元之间的相似性会导致结构性能趋于收敛。

五、 研究意义与价值

本研究的科学价值在于深入阐释了生物梯度结构背后的力学原理，并将对称梯度这一特定的生物优化策略成功应用于人工复合材料的设计中，揭示了通过调控旋转角的空间排列来协同优化损伤阻抗和损伤容限的机理，丰富了仿生复合材料的设计理论。

其应用价值更为突出：该研究为具有增强弯曲力学性能的复合材料层合板的设计与制造提供了切实可行的实践经验。所提出的对称梯度螺旋设计概念显著扩展了复合材料层合板的设计空间，为航空航天、防护装备等领域需要高损伤容限和能量吸收能力的轻质结构部件提供了一种新的、高性能的解决方案。

六、 研究亮点

1. 重要的发现：明确指出了对称梯度螺旋构型（GH-III）在弯曲载荷下相对于传统均匀螺旋和单向梯度螺旋构型的性能优势，并通过实验量化了其提升幅度（承载能力提升6%–64%，能量耗散提升37%–59%）。
2. 新颖的研究方法：将生物学微结构表征（SEM）、仿生概念设计、复合材料制备工艺、系统的力学测试（三点弯曲结合原位观测）、有限元应力分析与经典层合板理论计算相结合，形成了一个完整且严谨的研究闭环，多角度验证了设计理念的有效性。
3. 清晰的优化策略：不仅验证了对称梯度设计的优越性，还通过参数化分析提炼出了普适性的设计准则：“在外侧配置较大旋转角以抵抗损伤起始，在内侧配置较小旋转角以促进稳定裂纹扩散”，这为工程师进行类似设计提供了直接指导。
4. 对进化生物学的启示：研究结果从力学性能角度，为理解不同甲壳动物（如螳螂虾与龙虾）为何演化出不同的梯度螺旋结构（单向vs对称）提供了新的见解，认为对称梯度设计有助于结构刚度保持与亚临界损伤竞争之间的协同，这对于其捕食和防御功能的可持续性至关重要，体现了跨学科研究的价值。