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盡管天然材料從構造角度并不出眾，但卻往往展現出驚人的力學性能。這種看似矛盾的特性可以歸因于其層次化的組織結構，這種結構增強了構件的性能。骨骼就是一個經典的例子：輕質、剛性強、強度高且韌性良好。這種性能組合主要歸功于其微觀結構，其中骨單位能夠偏轉和阻止裂紋。在這項工作中，通過纖維增強復合材料來模擬骨骼微觀結構：進行了數值參數研究，通過改變骨單位結構（osteon-like structures；OLS）的層壓順序和代表骨間層板的互聯層，制造和測試單個 OLS 作為概念驗證。結果表明，OLS 和互聯層在偏轉和阻止裂紋方面發揮著關鍵作用，而多種材料的組合會影響彈性性能。最后，引入中空的 OLS，不會影響斷裂韌性，并且可用于擴展材料的性能，為新型多功能復合材料鋪平道路。

一、引言

纖維增強復合材料（Fiber reinforced composite；FRC）因其優異的力學性能，在工程應用中逐漸取代金屬材料。然而，FRC 的耐損傷和斷裂韌性較差，限制了其應用范圍。為了提高 FRC 的力學性能，研究人員嘗試了多種方法，例如使用更先進的紡織技術、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》發表了一篇由意大利熱那亞大學機械、能源、管理和運輸工程系以及米蘭理工大學機械工程系的研究團隊完成的關于仿生骨單位結構的研究結果。該研究通過OLS和層間連接層，設計并制造了新型的纖維增強復合材料。研究發現，OLS 和層間連接層可以有效偏轉和阻止裂紋擴展，從而提高材料的損傷容限和斷裂韌性。該研究為開發高性能、輕質、多功能復合材料提供了新的思路。論文標題為“Bone osteon-like structures: A biomimetic approach towards multiscale fiber-reinforced composite structures”。

二、內容簡介

用于創建仿生層壓板的基本材料包括環氧樹脂、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，設計了不同層數和不同角度取向的OLS，以及兩種類型的層壓板結構，即Bio-A和Bio-B。Bio-A 結構包含不同纖維方向和材料的四層骨組織結構，旨在探索和優化骨單位的層壓序列，Bio-B 結構包含三層骨組織結構和五層單向碳纖維層，均嵌入環氧樹脂基體中。Bio-B結構評估了不同間質層鋪設序列對整體層壓板性能的貢獻。

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

圖 1. 骨的層次結構。（a）股骨；（b）股骨橫截面顯示纖維板層組織（外）、皮質組織（中）和骨髓（內）；（c）由膠原纖維和礦物晶體制成的哈弗斯系統（右）的放大圖，并與由碳纖維、玻璃纖維和環氧樹脂制成的仿生復合材料（左）進行比較；（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 結構中 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 UD 間隙層；(e) Bio-A 和 Bio-B 樣本的三點彎曲 XFEM 模型設置和網格細節。

數值模擬部分評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，發現[CF(0/±30/90)]層壓板配置在兩種加載條件下均表現最佳,具有最高的剛度和屈曲載荷。XFEM模擬結果表明，OLS在不引入關鍵應力集中的情況下成功地偏轉了裂紋，特別是當采用[CF(45/0/-45/90)]層壓板配置時，裂紋能夠在基體中啟動并被OLS阻擋。

實驗測試部分包括壓縮和三點彎曲測試，測試結果顯示CF和CF/GF OLS在壓縮條件下的應力-應變行為，以及兩種不同層壓板配置在三點彎曲條件下的性能對比。實驗數據與數值模擬結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，在三點彎曲條件下的CF OLS的實驗剛度高于數值預測。此外，通過燃燒損失測試得到的纖維體積分數與模擬中使用的0.65的初始假設相符，驗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 結果；(b) 具有四層 [CF(0/±45/90)] OLS 的 Bio-A 的 Von Mises 應力和 XFEM 結果；(c) 具有堆疊序列 [CF(45/0/-45/90)] 的 Bio-A 四層 OLS 的 Von Mises 應力和 XFEM 結果。

該文章深入分析了實驗和模擬結果，討論了不同層壓板配置對結構性能的影響。重點討論了Bio-A和Bio-B兩種結構配置在拉伸和屈曲條件下的表現，指出[CF(0/±30/90)]層壓板在宏觀彈性效應下提供了最佳的剛度和臨界屈曲載荷，但同時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模型驗證了具有Haversian管的OLS在適當的層壓板配置下不會引起裂紋的形成。此外，討論了不同層壓板配置對裂紋偏轉和結構韌性的影響，特別是Bio-B配置由于增加了間質層，展現出比Bio-A更高的剛度和韌性。還討論了制造技術對實驗結果的影響，指出制造過程中的連續性和一致性對復合材料性能至關重要。同時，討論了仿生結構設計的局限性，并提出了未來研究方向，包括開發可靠的制造技術以生產更小尺寸的OLS，以及探索不同尺度的復合材料設計。

圖 4. 有和沒有預先存在的裂紋的 Bio-A 和 Bio-B 的應力-應變曲線，分別用實線和虛線表示。對于這兩種配置，OLS 鋪層都是 [CF(±45/90)]。應力和應變是根據力-位移數據計算得出的，對應于中心部分受力最大的點。右邊的兩幅圖顯示了 Bio-B (頂部) 的 XFEM 結果，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

該研究通過仿生骨單位結構，設計并制造了新型的纖維增強復合材料。研究發現，OLS 和層間連接層可以有效偏轉和阻止裂紋擴展，從而提高材料的損傷容限和斷裂韌性。該研究為開發高性能、輕質、多功能復合材料提供了新的思路。

原始文獻：

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