综述：仿生螺旋复合材料的先进制造、AI辅助设计与抗冲击性能研究综述

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：A comprehensive review of advanced manufacturing techniques, ai-enabled design, and mechanical characterization of nature-inspired helicoidal hybrid composites for impact-resistant applications

　　摘要螺旋结构模仿了自然界中的结构，存在于植物细胞壁、层状骨以及螳螂虾和甲虫的外壳结构中。这些受自然启发的螺旋复合材料被广泛应用于抗冲击应用中。传统的层状螺旋复合材料手工铺层方法可能引入间隙、重叠和褶皱等缺陷，而使用自动纤维铺放（AFP）可以减轻这些问题。优化AFP工艺参数（包括压力、温度和铺层速度）至关重要。虽然实验优化成本高昂且耗时，但基于人工智能（AI）的设计提供了一种更高效的替代方案。本文叙述性综述探讨了螺旋结构背后的灵感及其应用领域。文章还涵盖了使用AFP+高压釜/热压工艺制造混合长纤维层状复合材料、使用直接墨水写作（DIW）制造基于陶瓷填料的纳米复合材料，以及使用数字微镜器件（DMD）制造基于多壁碳纳米管（MWCNT）的纳米复合材料的高级制造方法。此外，本文还讨论了机器学习和深度学习与有限元建模相结合在最小化工艺诱导缺陷方面的作用。与激光轮廓测量和红外热成像等传统AFP检查技术相比，基于PointNet++卷积神经网络（CNN）的缺陷检测算法可以定制用于3D点云分割，提供了一种经济实惠、易于使用的替代方案。接下来，讨论了螺旋复合材料的力学和微观结构特性（与传统层压板相比），以评估其抗冲击性能。螺旋角低至20°的螺旋复合材料在准静态和冲击载荷下始终优于传统铺层，这得益于裂纹扭曲机制和优越的平面外性能。将尼龙6粉末微粒掺入碳/环氧和玻璃/环氧螺旋复合材料中，与原始螺旋复合材料相比，通过自修复显著提高了其在冲击载荷下的韧性。螺旋角低至9°的碳/环氧螺旋复合材料容易出现广泛的基体开裂和轻微的纤维损伤，而碳/环氧复合材料中的自修复也有助于减少基体开裂，但并未减少纤维损伤。相比之下，自修复显著减少了玻璃/环氧复合材料的整体损伤。自修复在消除玻璃/环氧复合材料损伤方面比碳/环氧更有效，主要是因为前者的延展性（延伸率%）高于后者。