一种用于平衡结构化复合材料强度与韧性的缝合-珍珠母混合仿生策略

《International Journal of Solids and Structures》：A suture and nacre hybrid biomimetic strategy for balancing strength and toughness in architected composites

　　摘要

在制造高性能仿生复合材料时，平衡强度和韧性是一个核心挑战。在本研究中，我们提出了一种基于双仿生策略的珍珠母-缝合（NS-like）结构，该结构将三维骨启发缝合界面嵌入到珍珠母启发砖泥框架中。采用多材料PolyJet打印技术制备了NS-like试样，并在准静态单轴拉伸和三点弯曲条件下评估了其力学性能。结果表明，与单一仿生设计相比，NS-like结构实现了更优异的力学协同效应。在拉伸载荷下，NS-like结构的平均刚度达到428 MPa，强度达到5.2 MPa，均优于珍珠母样结构和二维缝合仿生材料。此外，NS-like结构的韧性达到185 kJ/m3，是珍珠母样试样的2.5倍，是二维缝合试样的1.5倍。断裂分析证实，缝合几何结构促进了裂纹偏转、分叉和桥接，而砖泥层则实现了渐进滑移和能量耗散。此外，还讨论了缝合曲率深度（Δh）在调控力学性能中的作用，揭示了最佳参数可实现强度与韧性的最佳折衷。总体而言，这种双仿生设计缓解了经典的强度-韧性权衡问题，并为设计具有损伤容忍性的仿生复合材料提供了一条可扩展的路径。

引言

在材料科学与工程领域，实现兼具高强度和高韧性的高性能仿生材料一直是一项重大挑战（Liao等，2019）。传统的强化策略，如晶粒细化和界面强化，可以提高材料强度，但往往以牺牲延展性和抗断裂性能为代价（Radi等，2020；Ritchie，2021）。相反，这些增韧策略（如引入柔性相或促进大规模非弹性变形）通常会导致强度降低（Magrini等，2019）。这种强度与韧性之间的冲突不仅在经典断裂力学中已有充分记载，而且也被认为是工程材料设计中的主要瓶颈。

生物结构材料已成为开发下一代结构材料的重要设计灵感来源，因为其多级结构相对于组分材料表现出卓越的损伤容忍性（Siddiqui等，2025；Plocher等，2021；Meyers等，2008）。对骨、珍珠母、牙齿、鱼鳞和节肢动物外骨骼等天然复合材料的广泛研究表明，这些生物系统依赖于由相对较弱的结构单元组成的构型（Liao等，2019；Ghazlan等，2021；Zhao，2024）。通过将硬质矿物薄片与软质生物聚合物基体通过有序的多级界面相结合，这些生物系统可以实现强度、韧性和轻质特性的显著组合。基本见解在于，这些生物材料中嵌入的结构和界面提供了决定性贡献，而不仅仅是化学成分（Gunwant，2025；Ghimire等，2021）。在骨中，矿化胶原纤维组装成骨板和骨单元，这些结构引导裂纹沿受控路径扩展并激活外在屏蔽机制（Nair等，2013）。在珍珠母中，文石薄片与纳米级有机层交替堆叠，形成允许受控滑移、剪切屈服和裂纹桥接的界面（Gupta等，2024；Madhav等，2023；Sharma等，2023）。这些发现推动了仿生仿生材料领域的快速发展，在该领域中，结构基元被有意设计并在多个长度尺度上制造，以实现刚度、强度和韧性的最佳组合。

在这一广阔背景下，缝合界面因其在生物学和工程学领域的重要影响而备受关注（Xing等，2025；Wickramasinghe等，2022；Djumas等，2016）。缝合界面是互锁的锯齿状几何结构，常见于颅骨骨缝和防护壳体中（Ni等，2023）。缝合界面的关键特征是其曲折度。接近界面的裂纹必须沿弯曲或倾斜路径偏转，从而增加裂纹长度和模态混合度，进而提高进一步扩展所需的应力。缝合齿的深度、振幅、波长或曲率等少数几何参数对刚度、强度和锁定行为有显著影响（Askarinejad等，2018）。缝合结构的互锁特性还提供了摩擦阻力和几何硬化特征，从而延迟了灾难性分离的发生。研究发现，通过3D打印制造的仿生咬合缝合结构具有显著增强的抗冲击性能、能量吸收能力和裂纹止裂性能（Wang等，2023）。然而，当缝合结构单独使用时，由于能量耗散集中在局部连接处且周围结构仍可能以脆性方式断裂，其整体能量吸收能力往往受到限制（Wang等，2023；Krauss等，2009；Achrai等，2014）。

相比之下，以珍珠母为代表的砖泥结构则优先考虑分布式能量耗散（Katz等，2023）。在这些层状复合材料中，刚性砖块交错排列，并通过薄而柔性的砂浆层粘合。在加载时，砖块可以传递应力，而砂浆层发生剪切并允许界面滑移。这种多级微观结构因此引发了薄片拔出、裂纹桥接和裂纹偏转，同时在断裂过程中伴随大量能量耗散，这已在珍珠母中观察到的上升R曲线行为中得到证实（Peng和Bargmann，2024；Liu等，2020）。研究发现，珍珠母启发的多材料3D打印复合材料表现出显著增强的抗冲击性能和能量耗散能力。这些力学性能可以通过依赖于打印方向的界面相互作用和薄片拔出增韧机制进行有效调控（Curto等，2025）。微观力学模型、离散元模拟和最新的三维成像研究已经阐明了薄片重叠、表面波纹度、界面强度以及随机变异性如何控制增韧效果（Curto等，2025；Tran等，2017；Wat等，2019）。这些机制在几何上是耦合的，但应加以区分，因为强度由抗损伤萌生和承载失效能力决定，而韧性则表征抗裂纹扩展和断裂能力。先前的分析和数值研究已系统阐明了珍珠母样材料中的这些强化和增韧机制（Yu等，2024；Ni等，2015；Li等，2024）。然而，珍珠母仿生设计也面临固有约束，即允许界面滑移所需的柔顺性可能会降低绝对刚度并限制其强度。

综上所述，这些见解表明，单一基元仿生学在开发高性能仿生材料方面往往只能取得部分成功（Haipeng等，2025；Benedetti等，2021）。缝合结构强调裂纹路径控制和裂纹萌生强度，但可能提供有限的能量吸收能力。此外，珍珠母结构强调增韧和能量耗散，但往往以降低强度为代价。近期进展强调，在单一仿生设计中整合多个基元可能产生协同效应。缝合结构可以确保裂纹偏转和载荷连续性，而砖泥层可以提供广泛的耗散和增韧能力（Yin等，2024）。近期研究探索了在二维水平上将缝合启发的几何互锁与珍珠母启发的砖泥排列相结合。Wang等（Wang等，2025）制造了由交错互锁单元和柔性夹层组成的层压玻璃复合材料，并证明互锁角和缝合线间距对拉伸强度和韧性有显著影响。Jiang等（Jiang等，2026）随后研究了几何互锁、摩擦拔出和界面脱粘之间的竞争效应，进一步阐明了这类混合仿生复合材料中涉及的力学相互作用。这一观点与更广泛的仿生材料范式一致，即强调结构性能可以通过调节几何参数来调控，而无需引入新的化学成分。与此同时，增材制造（AM）技术等制造方法的进步使得将此类仿生设计转化为实际结构成为可能（Xiang等，2016；Patadiya等，2023；Cheng等，2023）。这种能力使研究人员能够高保真地复制互锁缝合结构、交错砖块和多尺度多级组装体。重要的是，增材制造将几何形状与成分解耦，因此仅通过结构设计即可在传统聚合物或复合材料中实现新的力学行为。

在此背景下，本研究探究了珍珠母-缝合样（NS-like）复合材料结构的一种特定三维实现方式。这里的“三维”指的是硬-软界面本身的拓扑结构，而不仅仅是试样的有限厚度或三维制造。互补界面由数学函数定义，其高度同时沿两个面内方向变化，从而形成空间波纹曲面，而非沿试样厚度均匀挤出的二维轮廓。采用PolyJet 3D打印机制造多材料聚合物试样。在准静态拉伸和三点弯曲加载条件下评估了力学性能，并将双仿生复合材料试样的刚度和韧性与仅珍珠母结构和二维平面试样进行了比较。结果表明，三维波纹界面促进了分布变形和渐进失效，从而为平衡多材料仿生复合材料的强度和韧性提供了一种几何可调的方法。

章节片段

NS-like复合材料的表征

在本研究中，NS-like复合材料由两相组成：软相和硬相。NS-like复合材料通过将骨缝合启发的正弦几何结构嵌入砖泥框架中进行设计。图1a展示了骨块的生成过程，其中两个相对的非平面表面由以下方程描述：
z1(x,y)=Δhφ(x)φ(y)+h
z2(x,y)=Δhφ(x+a)φ(y)-h
φ(x)=2a-4(x2-a2)2-1

其中φ(x)是满足边界条件的任意函数。

结果与讨论

首先对NS-like复合材料的拉伸响应进行了实验研究，并考察了几何参数“Δh”（波纹曲面的曲率）对拉伸行为的影响。对二维缝合界面的拉伸响应进行的横向比较突出了混合仿生策略在实现强度和韧性平衡方面的优势。此外，还分析了NS-like复合材料结构的断裂行为，并研究了其影响。

结论

在本研究中，我们提出了一种骨缝合和砖泥结构的双仿生策略来平衡强度和韧性。通过实验研究了NS-like结构在单轴拉伸和三点弯曲载荷下的拉伸行为和断裂行为。本研究证明了整合缝合界面和砖泥结构的双仿生策略的有效性，能够同时提高刚度、强度和韧性。

CRediT作者贡献声明

Yi Wang：撰写初稿、软件、方法论、调查。Hua Liu：撰写初稿、可视化、调查。Jialing Yang：撰写初稿、调查、正式分析。Xianfeng Yang：审阅与编辑、监督、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本文所述工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12472376、12002027）、北京新星计划（项目编号：20230484360）、强度与结构完整性全国重点实验室研究项目（LSSIZZYJ202405）以及中国航空科学基金（项目编号：20240041051001）的资助。作者谨此表示衷心感谢。

Yi Wang | Hua Liu | Jialing Yang | Xianfeng Yang