南航团队《Composites Part B》发布突破性研究：仿生变刚度曲线螺旋设计，让复合材料抗冲击性能提升近 30%

2025 年 10 月，南京航空航天大学材料科学与技术学院团队在复合材料领域顶刊《Composites Part B: Engineering》（1 区 Top）发表最新研究成果 —— 创新性提出 “变刚度曲线螺旋（VSCH）铺层构型”，通过三维仿生设计与先进制造技术结合，使复合材料抗冲击性能及损伤容限较传统层合板提升近 30%。该研究为攻克航空航天领域复合材料 “易分层、抗冲击弱” 的核心瓶颈，提供了可工业化的全新解决方案。 据悉，论文第一作者为南京航空航天大学材料科学与技术学院讲师刘琛，通讯作者为大连理工大学力航学院教授白瑞祥，合作团队还包括南航李勇教授、江林硕士及昆士兰科技大学闫程教授等。论文题目为 “Bio-inspired composite design with variable-stiffness curvilinear helicoidal layup for enhanced impact resistance”，相关成果已在线发表（DOI: 10.1016/j.compositesb.2025.113078）。 传统复合材料的 “抗冲击困境”：层间断裂成核心瓶颈纤维增强复合材料因 “高比强度、高比模量、耐腐耐热” 等优势，早已成为航空航天装备制造的关键材料。但长期以来，传统复合材料层合板受限于 “0°、±45°、90°” 等离散直线纤维路径设计，层间弹性性能存在显著突变 —— 在冲击载荷（如飞鸟撞击、部件磕碰）作用下，极易产生高剪切应力，进而引发 “灾难性分层破坏”，这也成为制约其在高端装备领域进一步应用的核心短板。为解决这一问题，行业此前已探索多种改进路径，但均存在明显局限：二次增韧技术：虽能提升韧性，却会导致纤维损伤，同时增加制造复杂度与成本，难以工业化落地；仿生螺旋铺层：受生物 Bouligand 结构（如贝壳、骨骼的微观螺旋构型）启发，通过层间小角度旋转降低层间应力，但未能利用面内纤维路径设计自由度优化载荷传递，性能提升有限；变刚度曲线铺层：以面内曲线纤维实现 “刚度定制”，可缓解应力集中，但层间大角度差异问题未解决，层间失配矛盾依然突出。三维仿生创新：VSCH 构型融合两大先进设计理念南航团队的突破，始于对自然界 Bouligand 结构的深度借鉴 —— 这种由单向纤维薄层以微小角度逐层旋转堆叠的螺旋构型，能通过偏转、分散裂纹赋予生物材料优异韧性。在此基础上，团队创新性提出 “变刚度曲线螺旋（VSCH）铺层构型”，将两种先进设计理念三维耦合，形成独特结构优势：1. 面内变刚度曲线铺放：实现 “刚度定制化”摒弃传统直线纤维路径，VSCH 构型中每一层的纤维路径遵循特定函数呈曲线分布。这种设计可让材料面内刚度根据载荷需求 “按需分配”，将柔性区域的载荷重新导向刚性区域，从源头上缓解局部应力集中。2. 厚度方向螺旋堆叠：解决 “层间失配”各铺层沿厚度方向以固定微小角度逐层旋转，形成类似 Bouligand 结构的螺旋构型。这一设计大幅减少层间刚度突变，降低冲击下的层间剪切应力，从根本上抑制分层破坏的发生。“面内曲线优化应力分布，厚度螺旋改善层间过渡，两者协同形成三维抗冲击‘防护网’。” 刘琛在研究中解释，这种设计既保留了两种方案的优势，又弥补了各自短板。实验验证：抗冲击性能提升近 30%，损伤容限显著优化为验证 VSCH 构型的性能，团队采用自动纤维铺放（AFP）技术（航空航天复合材料高精度制造核心技术）与热压罐固化工艺，成功制备四种对比层合板：基准组：准各向同性（QI）层合板；对照组 1：变刚度曲线（VSC）层合板；对照组 2：恒刚度线性螺旋（CSLH）层合板；实验组：变刚度曲线螺旋（VSCH）层合板。通过低速冲击（LVI）测试与冲击后压缩（CAI）测试，并结合基于 3D Hashin 失效准则的有限元模型模拟，团队得出关键实验数据：抗冲击性能：VSCH 试样峰值冲击力达 5.65 kN，较 QI 基准组（4.35 kN）提升 29.9%；同时，VSCH 吸收能量仅 9.16 J，远低于 QI 组的 12.1 J，表明其更多通过弹性变形耗散冲击能量，而非产生不可逆损伤；损伤容限：VSCH 的冲击后压缩强度（CAI）达 130.51 kN，较仅含螺旋设计的 CSLH 组（122.22 kN）提升 9.8%，意味着受损后仍能保持高承载能力；微观损伤机制：超声 C 扫描与断面分析显示，VSCH 结构可引导基体裂纹沿曲线纤维路径偏转、分岔，形成复杂的裂纹扩展路径，有效阻止分层裂纹 “快速贯穿”。三大协同机制：破解抗冲击瓶颈的核心逻辑团队进一步分析指出，VSCH 构型的优异性能源于三维微观结构的三大协同作用机制：层间均匀过渡：微小螺旋角减少层间刚度差异，降低层间剪切应力，从根源减少分层诱因；裂纹多向扩散：螺旋交织的纤维分布使裂纹向厚度方向扩散，而非在单一界面快速扩展；应力智能重分布：面内曲线纤维的 “刚度梯度” 可分解局部集中应力，引导裂纹沿预设路径偏转，避免灾难性破坏。工程价值：可工业化落地，助力高端装备升级“这项研究的核心优势不仅在于性能突破，更在于其可工业化潜力。” 刘琛强调，VSCH 构型基于成熟的 AFP 自动铺丝技术制备，无需新增复杂设备，可直接适配现有复合材料生产线，兼顾高性能与低成本。 对于航空航天领域而言，该技术可显著提升机身蒙皮、发动机叶片等关键部件的抗冲击能力；在新能源、高端装备领域，也为复合材料储氢罐、高速列车车体等产品的可靠性升级提供新路径。 正如论文通讯作者白瑞祥教授所言：“VSCH 设计为复合材料抗冲击瓶颈提供了‘仿生 + 工程化’的融合方案，未来有望成为高端复合材料结构设计的新标准，推动我国在复合材料领域从‘跟跑’向‘领跑’迈进。”