通过增材制造技术制备的仿股骨多孔微晶格铝合金芯，用于提升CFRP/Al复合材料的重复冲击性能

《European Journal of Mechanics - A/Solids》：Femur-inspired porous microlattice aluminum alloy core fabricated by additive manufacturing for enhanced repeated impact resistance of CFRP/Al hybrid composites

　　•一种受股骨启发的新型多孔微晶格结构被设计并制造出来。•该结构具有出色的抗反复冲击性能。•在初次冲击时，该结构通过弹塑性变形来吸收能量。•逐步压实机制能够保持结构的承重能力。•逐步压实还能延缓能量向背面板的传递。

引言
随着现代工业技术的快速发展，航空航天、交通运输以及军事防护装备等领域对高性能轻质结构材料的需求日益迫切。在实际使用中的结构部件不仅要承受单次冲击，还要面对持续不断的动态载荷的严峻挑战[1]、[2]、[3]。传统的碳纤维增强聚合物材料具有出色的比强度、比刚度以及设计灵活性[4]、[5]、[6]，能够在减轻重量的同时提供良好的抗弯性能[7]、[8]。然而，由于其均质性，这类材料在反复冲击作用下容易遭受累积损伤、性能下降，甚至结构失效[9]、[10]，从而限制了其在持续冲击环境下的耐用性与可靠性[11]。在提升抗冲击性能的同时，近期研究还致力于通过界面工程和超分子改性来改善聚合物复合材料的其它功能，如阻燃性和抗菌性能[12]、[13]、[14]。因此，开发具有更强抗连续冲击能力的轻质材料已成为安全工程和先进制造领域的核心挑战。这类材料必须在复杂的使用环境中，在多次冲击下有效吸收能量、抑制损伤扩散，并保持整体的结构完整性与功能[15]、[16]。

众多学者正在通过创新的结构设计[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、组件调整[22]、[23]、[24]、[25]、[26]以及结构-性能优化[27]、[28]等策略，致力于开发新型功能性材料，以提高材料的综合防护能力。诸如贝壳[29]、螳螂虾钳[30]以及椰子壳[31]、[32]等生物材料经过数百万年的演化，形成了螺旋状、梯度分布及交叉层状等层次化结构，具备极高的韧性、损伤容忍度以及能量吸收能力[33]、[34]。其中，交叉层状结构指的是在材料内部构建具有不同界面和多层排列的层状组织。通过利用界面效应和层间耦合机制，这类结构能够实现更有效的载荷重新分配与裂纹抑制，在冲击载荷作用下表现出优异的能量耗散与损伤控制能力。基于此，Gu等人[35]、[36]开发出了交叉层压生物复合材料。有限元模拟与实验结果表明，其复杂的界面不仅能有效阻止裂纹扩展并改变裂纹传播路径，还能提升结构对尖锐物体的抵抗能力以及承受更高载荷的能力[37]，展现出比单一材料更强的抗冲击性能。受这些研究成果的启发，本研究采用0°/90°正交交替铺层方式构建层压结构，使纤维沿两个相互垂直的主方向排列。在相同的纤维体积分数下，这种方法能更有效地提升层压结构沿主轴方向的刚度与强度，从而在冲击过程中形成更强的局部支撑以及更高效的能量耗散网络[38]、[39]。

为了充分发挥碳纤维面板的性能潜力，设计并优化与之相匹配的高性能核心结构也至关重要，因为这有助于进一步提升复合材料的抗冲击性能，同时降低其重量[40]。由于重量轻、比刚度高以及出色的能量吸收能力，核心结构在决定冲击载荷传递路径和应力场分布方面起着关键作用，因此在防护领域备受关注。现有研究表明，核心结构的设计及其与面板的协同变形行为是影响层压结构抗冲击性能的关键因素。在高速动态载荷作用下，核心结构不仅负责在面板之间传递载荷，还决定了冲击波在层压结构内的传播路径以及局部应力场的演变情况。由于单元连接方式、几何连续性以及变形模式的不同，不同的核心层拓扑结构会导致不同的应力集中区域和渐进式屈曲行为。具有连续表面或多尺度连接特征的微晶格结构可以通过多方向载荷重新分配以及通过渐进式塑性变形扩大能量耗散区域，从而延缓局部失效过程。Ahmad等人[41]根据啄木鸟头部的结构特征，设计了一种具有拱形核心和蜂窝双核心结构的仿生层压梁。通过控制冲击载荷的传递路径，他们有效降低了局部应力集中，展现了良好的抗反复冲击性能。进一步的研究表明，核心材料与结构配置的不同会显著影响夹层结构的能量吸收效率；不同的仿生核心通过改变载荷扩散机制和损伤演变过程，表现出不同的冲击响应特性[42]。此外，针对爆炸等高应变率载荷作用下的复合夹层结构的研究也表明，适当优化核心结构参数以及面板与核心之间的相互作用，可以有效减少结构变形，提升整体的损伤容忍度[43]。因此，阐明核心结构拓扑结构如何调控应力场分布、损伤演变以及连续冲击响应机制，对于设计能够承受反复冲击的高性能夹层结构至关重要。

基于上述研究，仿生概念逐渐被引入到核心层结构设计领域，通过模拟自然结构的多尺度拓扑特征，实现更优的载荷传递与更强的能量耗散[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。其中，传统的规则蜂窝结构是最具代表性的轻质核心层设计之一，因其重量轻、强度高、具备隔热、减震以及出色的能量吸收能力，而被广泛用于防护装备和航空航天工程领域[49]。由于其规则排列的周期性单元结构，该结构可以通过单元壁的轴向屈曲和折叠变形来吸收平面外压缩载荷。不过，当受到非均匀载荷或反复冲击时，这类结构存在明显局限性。其规则排列的单元壁在冲击作用下容易产生局部应力集中，进而引发局部屈曲并形成集中坍塌区。一旦出现初始损伤，裂纹往往会沿着蜂窝壁呈定向扩展，导致结构的残余强度与刚度急剧下降。尤其是在连续反复冲击的情况下，损伤的快速积累会严重削弱结构的整体防护性能。为克服这些局限，研究方向逐渐转向那些兼具高机械性能与优异损伤容忍度的生物结构。甲虫鞘翅的多层结构[50]采用蜂窝-柱状配置，在平面外压缩时形成稳定的屈曲平台，从而充分利用材料的塑性能量耗散能力。不过，这种结构的承载机制主要依赖于蜂窝壁与柱状梁之间的局部约束，因此在复杂动态载荷及长期循环冲击作用下的多方向载荷传递适应性方面仍有优化空间。蜘蛛网的径向环状结构[51]主要通过纤维拉伸以及网状结构的协同变形来耗散能量，其在高刚度平面外冲击防护结构中的应用仍较为有限。贝壳珍珠母层状结构[52]则通过文石层片的滑动以及矿物桥接的协同作用来偏转裂纹并耗散能量；其优异的性能在很大程度上取决于层间界面结构的设计，而在复杂的高速冲击条件下，界面稳定性以及其对长期循环载荷的适应能力仍存在挑战。尽管上述结构都具有独特的机械性能，但它们都面临着制造工艺复杂以及难以大规模生产等问题。与这些结构相比，人类股骨近端的骨小梁结构[53]具有空间互连性、多尺度梯度分布以及连续过渡等拓扑特征。这些特征能够减少由几何不连续性引发的局部应力集中，促进载荷向周围区域传递，为本研究的设计提供了灵感。

因此，鉴于对具有更强抗反复冲击性能的防护材料的需求，本研究提出了一种受股骨启发的多孔微晶格核心结构。该结构旨在模仿骨小梁的多尺度梯度特征以及空间互连的拓扑特性，通过仿生拓扑设计优化冲击过程中的载荷分散路径，并调控反复冲击下的损伤积累行为。在该结构中，正交层压的碳纤维增强聚合物层板作为正面板，负责提供初始刚度及抗穿透能力；而受股骨启发的铝合金多孔微晶格结构则作为核心功能层，承担能量吸收与耗散的任务。这种基于碳纤维增强聚合物/铝合金的受股骨启发多孔微晶格复合材料具有高强度、优异的韧性，以及在断裂前具备金属材料的塑性变形能力，从而实现了碳纤维面板与仿生核心优势的协同利用[54]、[55]、[56]。同时，研究人员通过ABAQUS/Explicit有限元模拟、三次重复高速冲击试验以及超声C扫描表征，研究了该材料的初次冲击响应、首次冲击损伤后的剩余防护能力，以及在累积损伤条件下的进一步性能退化情况。通过对受股骨启发多孔微晶格材料的反复冲击抗性及损伤演变机制进行系统分析，为开发具有优异高速冲击防护能力的先进复合结构提供了理论依据与实践指导。

结构设计部分
股骨是人体中最长的骨头，对于支撑身体重量起着至关重要的作用。皮质骨凭借其高密度和高硬度提供机械支撑，而骨小梁则通过其独特的层次化微观结构，在吸收冲击能量方面发挥着重要作用。骨小梁由相互连接的骨小梁组成，形成一个三维多孔网络，其孔隙率在60%至90%之间，广泛分布于……

核心层损伤分析
图5(a-c)展示了在三次冲击作用后，受股骨启发的多孔微晶格核心结构与传统蜂窝核心结构的形态演变情况。由于高速冲击试验中弹丸姿态以及固定装置条件的影响，实际冲击位置与理想加载位置之间存在一定偏差，从而导致实验得到的损伤形态与模拟结果之间存在细微差异。不过，总体而言……

结论
本研究受到自然界中生物结构的宏观与微观几何形态的启发，将微晶格技术与仿生设计理念相结合，构建了一种受股骨启发的多孔微晶格结构，并建立了相应的数学模型。通过对该结构在单次高速冲击防护性能的有限元模拟分析，结果表明，与传统蜂窝结构相比，受股骨启发的多孔微晶格结构……

作者贡献说明
Mingchi Yu：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，数据整理，概念构思。Meng Wang：验证，方法学，研究。Gongdong Wang：撰写——审稿与编辑，监督，资源提供，方法学，概念构思。Chenze Liu：验证，方法学，研究。Lei Liu：验证，研究。Tianjiao Liu：监督，研究。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

数据可用性
数据将在收到请求后提供。

资金来源
本项目由中国辽宁省重点研发计划项目编号2023JH2/101300234以及智源实验室项目编号ZYL2025017资助。

利益冲突声明
? 作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Gongdong Wang表示获得了辽宁省重点研发计划的财政支持，同时也获得了智源实验室的财政支持。其他作者则声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

Mingchi Yu|Gongdong Wang|Meng Wang|Lei Liu|Chenze Liu|Tianjiao Liu