航空航天、国防等现代工程技术的日益发展，对材料与结构提出了严苛的要求，需要在极端多变的载荷工况下稳定服役。这些材料需同时具备高强度以抵抗变形和断裂、高韧性以吸收能量并防止灾难性失效，以及优异的抗冲击性能以承受突然的高能量冲击。然而，要设计出同时满足所有这些要求的材料是一项重大挑战。高强度材料往往脆性大、易开裂，而高韧性材料则容易在载荷下发生变形，牺牲其承载能力。同样，要实现高抗冲击性，也需要在强度与韧性之间取得精妙的平衡，因为冲击过程中的能量耗散能力依赖于这两种性能的协同作用。这种固有的权衡关系，使得开发能在极端多样条件下可靠工作的材料变得尤为复杂。
针对这一问题，南京航空航天大学卢天健教授团队系统开展了中面对称Bouligand结构碳纤维增强复合材料的设计、制备与多场景抗冲击性能研究。团队在引入仿生Bouligand结构的同时，通过施加中面对称约束，有效规避了非对称复合材料的制备挑战，如翘曲、残余曲率、固化诱导应力或微损伤等问题。通过结合中面对称设计与力学驱动的层间角度优化，成功制备出具有优异能量吸收、损伤容限和抗冲击适应性的新型复合材料（图1）。相关研究成果以“Mid‐Plane Symmetrical Bouligand Structural Design for Robust Multi‐Impact Resistance”为题，发表于国际材料知名期刊Advanced Functional Materials。
研究结果表明，所提出的对称Bouligand结构复合材料在准静态弯曲与多种冲击条件下均表现出显著优势：在准静态弯曲实验中，HP10°结构的峰值载荷比传统正交铺层结构提升63.4%，断裂能量提升137.3%（图2）；在落锤冲击实验中，HP10°结构的损伤面积比正交铺层结构降低72.3%（图3）；在正向高速冲击中，其弹道极限速度提升22.2%，穿孔能量阈值提升49.2%（图4）；在斜向高速冲击条件下，其弹道极限进一步提升16%，展现出优异的角度适应性（图5）。与现有的Bouligand结构复合材料相比，对称Bouligand结构复合材料的低速能量吸收能力提升了277%，高速冲击下弹道极限提高了116%。有限元模拟进一步揭示了该结构通过促进裂纹扭转和应力扩散，有效延缓损伤扩展的机理，以及在高速冲击下增强弹性变形储能、瞬态动能吸收以及界面摩擦耗能的能量管理机制。本工作凸显了将仿生结构原理融入复合材料设计的巨大潜力，可为面向航空航天、国防装备及其它高性能工程应用需求的轻质抗冲击材料开发提供理论依据与实践指导。
图1 中面对称Bouligand结构复合材料理性设计与制造
图2 准静态弯曲性能研究
图3 低速冲击性能研究
图4 正向高速冲击性能研究
图5 斜向高速冲击性能研究
论文第一作者为南京航空航天大学力学专业2023级博士研究生季海波，导师为卢天健教授与孟晗教授。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202518065。
