用于增强抗多冲击能力的平面中部对称布利甘结构设计

《Advanced Functional Materials》：Mid-Plane Symmetrical Bouligand Structural Design for Robust Multi-Impact Resistance

高速冲击下仿生对称铺层碳纤维复合材料的性能优化研究。提出具有对称铺层结构的生物模拟碳纤维复合材料，通过力学优化铺层角度实现多向冲击条件下的优异能量吸收和抗损伤性能。实验表明该材料低速冲击能量吸收提升277%，高速抗弹性能提升116%，斜向高速冲击下抗弹性能额外提升16%。计算模拟揭示了其应力重分布机制和裂纹转捩效应。

　　

摘要

航空航天、国防及其他领域的快速发展对结构材料提出了更高的要求，这些材料需要在极端多变的条件下提供强大的保护性能，包括在各种载荷速度和方向下的冲击作用。然而，传统材料在同时实现这些性能方面往往存在局限性。本文提出了一种先进的仿生碳纤维增强复合材料，该材料具有对称的Bouligand（SB）结构。SB结构通过中间平面的对称性来最小化残余应力，并通过力学驱动的层间角度优化来提升层间性能。这种合理的设计使材料具备了出色的能量吸收能力、优异的损伤容忍度以及在广泛极端冲击条件下的良好适应性，包括低速（LV）、高速（HV）和斜向冲击。实验结果表明，与现有的Bouligand结构复合材料相比，SB结构复合材料在低速冲击下的能量吸收能力提高了277%，在高速冲击下的弹道极限提高了116%；即使是斜向的高速冲击，SB结构复合材料的弹道极限也额外提高了16%。计算模拟揭示了SB结构如何重新分配层间剪切应力、促进裂纹的扭转以及延缓损伤传播。这种仿生设计框架为开发适用于航空航天及其他关键工程应用的下一代轻质材料提供了途径。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。