【最新动态】仿生螺旋铺层复材：多源低速冲击损伤容限突破

摘要

航空、船舶装备用碳纤维复合材料服役阶段易遭受外来物多次低速撞击，持续累积的内部损伤会大幅削弱结构剩余承载能力。依托虾蛄螯足天然螺旋防护结构，本文设计制备仿生交叉螺旋铺层碳纤维层合板，设置同点位重复冲击、异点位双点冲击两类 10 J 低速冲击工况，结合落锤冲击试验、超声 C 扫描无损检测、冲击后压缩（CAI）力学试验，系统分析板材动态冲击响应、内部损伤演化规律与剩余抗压性能。试验结果表明：同一位置反复冲击会不断加剧板材变形与内部损伤累积；冲击次数由 1 次提升至 15 次，板材冲击峰值力上升 20.26%、中心最大变形量增加 26.21%，能量吸收能力下降 70.96%，内部损伤面积扩大 113.67%，随冲击次数持续增加，各项性能与损伤的变化幅度逐步放缓；双点冲击工况下，扩大两点冲击间距能够弱化两处损伤相互干扰，冲击间距由 0 mm 增至 80 mm 时，板材冲击后剩余抗压强度提升 11.02%。工程应用层面可得出结论：构件局部位置长期反复受冲击会显著降低结构损伤容限，合理分散冲击点位、增大冲击作用间距，能够有效提升复合材料构件冲击后剩余承载性能。

1 研究背景

碳纤维增强树脂基复合材料凭借轻量化、高比强度优势，广泛应用于飞机机身、机翼、船舶壳体等装备结构。装备服役过程中，飞机起降阶段跑道碎石、轮胎碎屑，海上航行漂浮杂物均会对复合材料构件形成低速冲击载荷。单次冲击即可引发基体开裂、纤维 - 树脂界面脱粘、层间分层等肉眼不可见的内部损伤；而装备长期运维过程中，同一区域或相邻位置会反复承受撞击，损伤持续叠加后极易诱发结构提前失稳破坏。

自然界生物经过长期演化形成具备优异抗冲击能力的分层螺旋结构，典型代表为虾蛄螯足组织（见图1）。其相邻几丁质纤维层呈小角度旋转排布，单一单元纤维整体旋转 180°，独特螺旋构型能够偏转裂纹、分层扩展路径，依靠界面滑移、摩擦耗散大量冲击能量，可耐受数千次高速撞击不发生失效。以此类天然螺旋结构为原型的仿生复合材料设计，已成为提升复合材料抗冲击损伤性能的重要技术方向。

图1 虾蛄螯足内部由多层旋转纤维单元构成螺旋结构

现有仿生螺旋复合材料研究多聚焦单次低速冲击工况，针对多次冲击的系统性试验较少；已有的多次冲击相关研究大多仅开展单点重复冲击测试，缺少对多点异位置冲击工况的探究，冲击间距、损伤耦合效应与构件剩余力学性能之间的关联机制尚不清晰。针对该研究缺口，本文采用模压成型工艺制备仿生交叉螺旋碳纤维层合板，分别开展单点多次冲击、双点不同间距冲击两组试验，全面分析多次冲击下板材变形、吸能、内部损伤及剩余抗压性能变化规律，为航空船舶复合材料抗冲击结构优化设计提供试验依据。

2 试样制备与试验方案

2.1 仿生交叉螺旋层合板制备

试验选用 T300 单向碳纤维 / 环氧树脂预浸料制备仿生交叉螺旋（CS）层合板，板材共 32 层，采用对称交叉螺旋铺层方案，单层厚度 0.14 mm，成品板材总厚度 4.48 mm，成品尺寸 150 mm×100 mm。预浸料碳纤维体积占比 67%，树脂体积占比 33%；采用人工逐层铺叠工艺，以铺叠台基准线统一控制每层纤维角度，铺叠完成后采用热压模压工艺固化成型，完整成型流程分为预压实、树脂凝胶、高温固化定型三个阶段，精准控制成型温度、压力与保压时间，减少板材内部孔隙、铺层错位等成型缺陷。固化完成后通过三轴水切割设备裁切标准试样，保证试样尺寸精度。

2.2 试验设备与测试标准

1.落锤低速冲击试验：采用落锤冲击试验机，半球形冲击头总质量 5.5 kg，单次冲击能量统一设定为 10 J，试验环境恒温 23 ℃、相对湿度 50%；试样四边刚性固定，严格遵循复合材料低速冲击测试标准，仅沿板材厚度方向施加垂直冲击载荷。设置两组试验工况：工况一：单点重复冲击，冲击点位为板材中心，冲击次数梯度 1 次、5 次、10 次、15 次；工况二：双点异位置冲击，两次冲击能量均为 10 J，冲击间距设置 0 mm、20 mm、40 mm、80 mm，0 mm 代表两次冲击重合于板材中心，其余间距沿板材长边对称布置冲击点位。每种工况制备 5 件平行试样，降低试验离散误差。

2.超声 C 扫描无损检测：冲击完成后采用超声扫描设备对板材内部损伤进行成像检测，借助图像分析软件量化统计损伤面积，区分有效损伤区域与图像噪声，精准表征不同冲击条件下内部损伤形貌与扩展范围。

3.冲击后压缩（CAI）试验：采用万能电子试验机开展剩余抗压性能测试，加载速率 1.25 mm/min，依据标准计算冲击后剩余抗压强度，评价板材损伤容限性能。

3 试验结果与规律分析

3.1 单点多次重复冲击性能变化规律

1.动态冲击响应特性板材在中心位置反复冲击后，冲击力 - 时间、力 - 位移曲线整体趋势一致，冲击前期曲线小幅振荡来源于瞬时接触振动与初始损伤萌生。随冲击次数不断增加，冲击接触时长持续延长，板材中心最大变形逐步增大，整体抗弯刚度持续下降；冲击 10 次后刚度趋于稳定，原因是反复挤压使冲击接触区域压实，新增损伤对板材整体传力路径影响微弱。冲击峰值力随冲击次数增加持续上升，但增长速率持续放缓；单次冲击吸能随冲击次数提升显著下降，前 5 次冲击吸能衰减幅度最大，10 次至 15 次吸能基本保持稳定。初次冲击会在板材内部生成大量新生损伤，消耗绝大部分冲击能量；多次冲击后损伤区域完全成型，后续载荷仅作用于已有损伤，新增损伤耗散能量大幅减少。

2.内部损伤演化特征超声扫描结果显示：单次冲击下板材损伤区域近似圆形；随冲击次数增加，损伤持续向外扩展，形态逐步转变为倾斜椭圆，椭圆长轴角度保持稳定，说明铺层构型是决定损伤扩展方向的核心因素。冲击次数 1~15 次，损伤面积由 367.41 mm² 扩大至 781.37 mm²，前期损伤扩展速度快，后期扩张速率明显降低。

3.剩余抗压性能板材冲击后抗压强度随冲击次数增加持续降低。局部损伤不断累积会提升受压失稳敏感性，压缩加载时冲击损伤区域率先发生局部失效；冲击次数越多，该失效主导作用越强，但多次冲击后新增损伤对剩余强度的削弱效果逐步减弱。

3.2 双点冲击间距对板材性能的影响

1.冲击响应耦合效应冲击间距直接决定两处损伤的相互干扰程度：间距 0 mm（两点重合）时，第二次冲击完全作用于初次冲击形成的损伤区，板材局部刚度大幅衰减，二次冲击峰值力、变形量显著高于首次，吸能明显降低；随冲击间距逐步扩大，两次冲击的力学响应差异持续缩小，80 mm 间距下两次冲击的力、位移、吸能参数基本一致，两处损伤耦合效应基本消失。

2.内部损伤形貌与面积冲击间距 0~40 mm 区间，板材总损伤面积随间距扩大持续上升，40 mm 间距时总损伤面积达到峰值；间距提升至 80 mm，总损伤面积小幅回落。小间距条件下两处损伤相互连通、大面积重叠，总损伤范围偏小；40 mm 间距两处损伤明显分离但仍存在轻微相互干扰，损伤充分扩展；80 mm 间距两处损伤完全独立，各自沿固有路径扩展，整体损伤面积不再持续增长。同时发现，同等冲击能量下，第二次冲击产生的损伤范围大于第一次，根源是首次冲击造成板材局部刚度下降，二次冲击载荷更容易沿原有裂纹、分层界面拓展损伤。

3.冲击后剩余抗压性能板材冲击后抗压强度随冲击间距增大稳步提升：间距 0 mm 时强度最低，仅 147.96 MPa；间距扩大至 80 mm，强度提升至 164.26 MPa。0~20 mm 强度提升幅度有限，20~40 mm 提升效果显著，40 mm 后强度趋于稳定。核心机理为：小间距下两处损伤高度重叠，压缩加载时局部集中损伤极易诱发失稳；间距扩大后损伤重叠区域减少，载荷传递路径受扰动程度降低，剩余承载能力显著改善。

4 研究结论

1.仿生交叉螺旋碳纤维层合板单点反复冲击会持续劣化结构抗损能力。随冲击次数增加，板材变形增大、吸能下降、内部损伤持续扩张，冲击后剩余抗压强度不断降低；冲击次数达到 10 次以上时，板材各项冲击响应与损伤扩展速率明显放缓。

2.双点冲击工况下，扩大冲击作用间距可有效削弱两处损伤耦合干扰。间距 40 mm 时板材整体损伤面积达到最大值，继续扩大间距不会造成损伤范围显著扩张；冲击间距由 0 mm 提升至 80 mm，板材剩余抗压强度提升 11.02%，分散冲击点位能够显著改善复合材料构件损伤容限。

3.交叉螺旋仿生铺层结构可改变裂纹、层间分层的扩展路径，抑制损伤沿单一界面快速贯通，具备优良的抗损伤扩展能力；但同一区域长期承受重复冲击会造成损伤持续累积，大幅降低构件受压工况下的剩余承载能力。

4.本研究仅针对单一交叉螺旋铺层结构开展试验，后续可对比常规正交铺层、单向铺层的多次冲击性能；同时可结合有限元数值仿真，进一步揭示多次冲击下损伤萌生、扩展与压缩失效完整机理。