【原】北航《Composites Science and Technology》：分级复合材料的力学研究进展

导读

机械性能是材料的关键性能指标之一。在材料科学和工程应用中，总是需要更强、更硬和更轻的材料。在尖端科学技术领域日益增长的需求推动下，大量研究工作致力于升级材料设计和制造范式，在过去几十年里从根本上推动了材料科学与工程领域的不断进步。一般来说，提高人工材料的力学性能有两种策略，一是定制其化学成分，二是改进其微/纳米级结构。在关注复合材料时，前者的策略主要是指成分材料的正确选择，而后者主要是指成分材料的良好结构组织。分级复合材料已成为最重要的先进材料之一，因其优良的性能和广阔的前景而受到广泛的关注，它的特点是同时利用了其成分材料的选择和内部结构设计的优势。

分级复合材料的概念可以追溯到自然生物材料，从自然中学习对于人类来说始终是一种有效和鼓舞人心的方法。生物材料的自然结构经过了数百万年的发展，这赋予了它们优异的机械性能，这是传统的人造材料无法实现的，例如，打破了强度和韧性之间的权衡。已经证明天然生物材料的优良和独特的性能来源于它们的分级结构。例如，骨骼在其7个层次的分级结构上具有多种机制，表现出高强度和韧性。蜘蛛丝的高抗拉强度和大伸缩性归因于其精细的分级微观结构。这些在自然生物材料中看到的分级结构，为研究人员开发人造分级复合材料提供了有价值的灵感。

受天然生物材料分级结构的启发，研究人员提出了设计分级复合材料的两种主要策略。一种方法是在传统复合材料中引入更多的结构层次和长度尺度，这大大增加了传统复合材料的设计和优化空间。利用该策略，研究人员开发出了分级纤维增强复合材料（FRCs）、分级多孔材料、分级功能表面和具有优异力学性能的高韧性陶瓷复合材料。另一种方法是通过模拟生物材料的关键特征来制备人工材料，如仿珍珠层复合材料和超高温陶瓷的仿生涂层，这种方法使得这些人工材料具有优良的性能。为了从自然中学习，必须研究自然材料中复杂结构组织背后的典型原理和机制，并进一步为基于这些机制的材料设计建立合理的数学和机械模型。

近日，北航的Chen Yuli（第一作者兼通讯作者），武大的Zhang Zuoqi（通讯作者）、清华的Liu Bin（通讯作者）及其团队，在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Advances in mechanics of hierarchical composite materials”的文章，该文对天然生物材料、人造材料等分级复合材料的力学研究进行了专题综述，阐明了这一研究领域的进展和展望。该文首先讨论了在自然界中观察到的几个典型的分级设计，然后提取了四种原理机制作为对优越的力学性能的主要贡献。然后，证明了这些原理机制在三种典型的合成材料系统中的应用，即纤维增强复合材料、网状材料和机械超材料。此外，还提出了分级复合材料设计和优化仍然存在的挑战和对未来的展望。

内容简介

一、基于天然生物材料的分级设计原则

以在相对有限和不完善的组成材料下实现优异的性能和独特的功能，在多个长度尺度上具有有序结构的分级设计被认为是生物材料的通用策略。经过数百万年的进化，我们有理由相信自然生物材料的性能-结构关系接近最佳，这可以为研究人员提高人工材料性能指引方向。图1为自然生物材料典型的分级结构。

图 1 典型的分级结构：（a）骨头；（b）珍珠层；（c）蟹壳；（d）竹子；（e）筋；（f）丝

1.1 软硬成分之间的协同作用

为了协同硬增强体和软基质的优点，同时限制它们在负载生物材料中的弱点，在结构层次的每个层次上都存在各种精心设计的排列模式。在这些模式中，交错模式和布利根模式因其优异的力学性能而脱颖而出。图2给出了多种排列模式。

图 2 在个体层面上的排列模式和界面增强：（a）交错排列；（b） 布利根排列；（c）矿物键；（d）联锁结构；（e）纳米

1.2  生物聚合物基质的增强机制

生物复合材料中的软基质通过其大的剪切变形有效地传递载荷和耗散能量。值得注意的是，生物聚合物的一般特性，如其不可压缩性、粘度和自修复能力，对生物复合材料的力学功能做出了不同的贡献。

1.3  生物设计中的容错机制

缺陷不敏感或容错是生物和工业材料非常理想的特性，因为缺陷总是不可避免的，通常会引发灾难性的失效。基于格里菲斯断裂力学理论，Gao H 等人提出了一个容错的概念，并证明了纳米材料在存在缺陷的情况下能够坚持到接近其理论强度极限的荷载。生物材料的底层结构层次通常采用“纳米级”容错策略。

1.4  设计原则

（1）分级设计；

（2）组件组装；

（3）合理设计微观结构；

（4）硬相和软相的协同作用。

二、人工复合材料的分级设计与力学分析

2.1 FRCs：对强度和韧性的分级优化

由于FRCs具有较高的比模量和强度，广泛应用于航空、航空航天和汽车工业。然而，由于强度和韧性之间的权衡，纤维的进一步发展受到限制。为了实现FRCs的最佳性能，可以采用两种受生物材料启发的策略，即分级分析和分级设计。虽然目前大多数FRCs只有两个结构分级：纤维层次和复合材料层次，但也可以采用分级分析模式来研究和优化其性能。分级设计启发研究人员引入更多的分级层次来设计分级FRCs，但是通常只有两个分级层次。然而，根据生物材料的原理，建议在纳米尺度上采用4-6级的底层结构，以获得最佳的韧性。图3给出了FRCs的分级分析模型。图4给出了FRCs中的分级结构示意图。

图 3 FRCs的分级分析模型：（a）分级失效分析模型；（b）螺旋纤维束模型；（c）基于负载共享的分级损伤模型

图 4 FRCs中的分级结构示意图：（a）常见的FRCs；（b）-（d）纺织结构；（e）用于界面增强的 CNT 嫁接纤维；（f）“实体”纳米结构界面；（g）纳米材料改性基体；（h）层状RGOFs/SWNT/PVA纤维；（i）层状CNT纤维

2.2 网状材料：衔接纳米到宏观的分层设计

分级设计是弥补纳米和宏观尺度差距的理想策略。在迄今为止研究的各种分级结构中，由随机分布的纤维、纤维束或具有网状子结构的纤维结构组成的网状结构，已被证实在实现纳米到宏观的性能转移方面是有效的。图5给出了网状材料的多尺度结构及研究方法。图6给出了网状材料的特点。

图 5  网状材料的多尺度结构及研究方法

图 6 网状材料的三个明显的特点：A、可调管间相互作用；B、阈值现象；C、非经典刚度关系

2.3 机械超材料：具有特殊性能的分级设计

作为一种很有前途的分级结构材料，机械超材料（或结构材料）表现出特殊的性能，如负泊松比和可编程性，并已成为先进材料、力学和结构优化的新兴跨学科前沿。与许多生物材料类似，机械超材料通常是由部件构成。这些材料的特殊性能主要源于其构件的微观结构和构件排列，而不是成份材料的固有性能。

（1）建筑构件的合理设计

构件的设计对于机械超材料的设计至关重要。近年来，人们提出了大量使用广泛的策略获得的具有独特特性的构件。图7是机械超材料的构件示意图。

图 7 机械超材料的构件：A、晶格结构；B、双/多稳定结构；C、折纸/剪纸结构

（2）构件排列

在自然生物材料中，组织重复序列的特殊设计，以使它们能够超过它们各自的构件是非常必要的。构件的排列在机械超材料的设计中也起着重要的作用，只有合理的排列才能有效地继承构件的特殊性能，甚至为整体材料带来更多的功能。组装排列最简单的方法是建立一个周期性的排列方式。图8是构件组成机械超材料的示意图。

图 8 利用建筑块构建机械超材料的建筑方法：A、周期性排列；B、梯度设计；C、分级结构组件；D、阵列组件

小结

该文综述了分级生物材料在力学方面的研究进展，并讨论了分级设计概念和分级研究范式在人工复合材料结构设计、性能分析和优化中的应用。虽然在过去的几十年里，在分级复合材料领域已经取得了相当大的进展，但仍然存在以下挑战：

（1）设计更复杂和更实用的微观结构；

（2）开发耦合的多尺度模型；

（3）深入探索其在亚微米尺度上的机制；

（4）将设计与多功能集成；

（5）利用人工智能进行设计和优化。

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原始文献：Chen Yuli , Ma Yong , Yin Qifang，et al.Advances in mechanics of hierarchical composite materials[J].Composites Science and Technology，2021，214：108970.