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在航空航天等领域，碳纤维增强聚合物（CFRP）因存在弱层间结合、低抗冲击性等问题受限。研究人员受陷阱颚蚁下颌结构启发，开展混杂复合材料层合板研究。结果显示，仿生层合板抗冲击性显著提升，为相关行业提供技术支持。
在材料科学的广阔天地里，碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymers，CFRP）以其低密度、高比强度和高比刚度等优势，成为众多领域的 “宠儿” ，尤其在对材料性能要求极高的航空航天和汽车行业，CFRP 的身影随处可见。然而，CFRP 并非完美无缺。它存在着诸如层间结合力弱、抗冲击性能差以及压缩性能不佳等问题，这些 “短板” 严重制约了它在一些关键领域的进一步应用。
当 CFRP 受到冲击时，其层间容易出现分层现象，就像一叠纸牌在受力时容易散开一样。这种分层不仅会降低材料的整体力学性能，还可能导致结构部件在使用过程中出现不可预测的失效风险，这对于航空航天等对安全性要求极高的行业来说，无疑是一个巨大的挑战。传统的设计方法，比如优化堆叠顺序、铺层角度和树脂成分等，虽然在一定程度上能提升 CFRP 的性能，但对于解决上述这些深层次问题，效果并不理想。
面对这些困境，科学家们将目光投向了大自然。在漫长的进化历程中，自然界中的生物为了适应环境，发展出了各种精妙绝伦的结构和性能。其中，陷阱颚蚁（Trap-jaw ant）独特的下颌结构引起了研究人员的注意。陷阱颚蚁在捕食时，下颌能够以极快的速度闭合，产生强大的冲击力，同时还能承受高速撞击带来的巨大负荷。研究发现，陷阱颚蚁下颌具有一种抗冲击且损伤容限高的梯度波纹结构（gradient waviness structure）。
中国的研究人员受到这一自然设计的启发，开展了一项旨在提升 CFRP 抗冲击性能的研究。他们希望通过模仿陷阱颚蚁下颌的梯度波纹结构，将其应用到 CFRP 的层间设计中，从而改善 CFRP 的性能。研究人员利用模具压制成型技术，制备了结合单向纤维（unidirectional fibers）与多种机织织物（woven fabric）排列的仿生层间混杂层合板（bio-inspired interlayer hybrid laminates）。
在这项研究中，研究人员运用了多种技术方法。首先，他们从中国广东省采集了陷阱颚蚁（O. monticola）样本，对其下颌进行了一系列处理，包括用不同目数的砂纸打磨、冷冻固定后切片，然后使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope）对下颌结构进行表征。对于制备好的混杂层合板，研究人员通过低 - 速冲击（Low-Velocity Impact，LVI）测试来评估其冲击响应，利用无损超声 C 扫描（Non-Destructive Testing，NDT）观察内部损伤情况，采用冲击后压缩（Compression After Impact，CAI）测试来分析其剩余压缩强度。
通过低 - 速冲击（LVI）测试发现，仿生梯度波纹结构在限制裂纹扩展和产生较大非弹性变形方面发挥了关键作用。与传统层合板相比，3K-PUP 层合板的峰值接触力提高了 10.2%，冲击损伤面积显著降低了 80.7%，能量耗散增加了 46.2%。这表明仿生层合板在受到冲击时，能够更有效地吸收能量，减少损伤。
在无损超声 C 扫描（NDT）检测中，进一步验证了仿生层合板在抵抗冲击损伤方面的优势。它能够有效抑制损伤在厚度方向的扩散，为裂纹尖端提供屏蔽，增强了材料的抗断裂能力。
冲击后压缩（CAI）测试结果显示，混杂层合板表现出优异的承载能力，其中 3K-PUP 层合板的剩余压缩强度提高了 6.6%。这意味着仿生层合板在经历冲击后，依然能够保持较高的结构强度，在实际应用中更具可靠性。
研究结论表明，仿生层合板通过引入梯度波纹结构，显著提升了 CFRP 的抗冲击性能、能量耗散能力和剩余压缩强度。这种仿生设计为解决 CFRP 在实际应用中的问题提供了新的思路和方法。在航空航天和汽车行业，对于轻量化、高强度、高韧性且抗冲击的材料需求日益增长，该研究成果正好满足了这些行业的迫切需求，为相关领域的材料设计和应用提供了重要的理论依据和技术支持，有望推动行业的进一步发展。
这项研究发表在《Acta Biomaterialia》上，其成果不仅为材料科学领域开辟了新的研究方向，也为跨学科研究提供了成功范例，展示了从生物结构中获取灵感解决工程材料问题的巨大潜力，激励更多科研人员探索自然界的奥秘，为人类的科技进步贡献力量。
