《Chemical Engineering Journal》：Biomimetic fiber-reinforced composites for enhancing mechanical properties
编辑推荐：
•基于月壤等效玄武岩的仿生双级螺旋层板设计，模仿甲壳动物外骨骼。•HFB 复合材料层板表现出显著增强的力学性能。•在地面抗震工程和未来月球原位基地建设中具有实际应用潜力。引言为极端服役环境设计的结构材料，需要出色的损伤容限和断裂韧性，这些环境中会遇到大温度梯度、热冲击和冲击载
- •
基于月壤等效玄武岩的仿生双级螺旋层板设计，模仿甲壳动物外骨骼。
- •
HFB 复合材料层板表现出显著增强的力学性能。
- •
在地面抗震工程和未来月球原位基地建设中具有实际应用潜力。
引言
为极端服役环境设计的结构材料，需要出色的损伤容限和断裂韧性，这些环境中会遇到大温度梯度、热冲击和冲击载荷。这些要求与未来的月球基础设施尤为相关，其结构组件可能会经历从 ?173 °C 到 127 °C 的温度变化以及反复的微陨石撞击 [1], [2], [3], [4], [5]。目前，基于月壤的材料常见研究制备路线包括烧结 [6]、三维 (3D) 打印 [7]、碱活化聚合 [8] 和热压 [9]。然而，这些无机成型系统表现出高脆性和低断裂韧性，使其在极端热应变或冲击载荷下容易发生灾难性失效。因此，开发具有高比强度和增强损伤容限的纤维增强复合材料对于此类苛刻应用至关重要 [10]。
然而，传统的纤维增强月壤复合材料通常依赖于单向纤维排列，其中载荷传递主要由单一优选方向主导。由于缺乏多向增强，并且容易发生层间分层，此类结构在复杂载荷下的损伤容限有限。因此，裂纹可能沿着纤维 - 基体界面或相邻铺层之间迅速扩展，导致结构过早失效。
仿生结构设计引起了相当大的关注，因为它们可以将高断裂抗性赋予合成纤维复合材料。通过通过分级结构调节裂纹萌生和扩展，这些设计实现了远超其组成材料的断裂韧性 [11], [12], [13], [14], [15]。通常，通过调整三维结构内的空间对齐和取向，将纤维状构建块组装成抗断裂材料 [16], [17], [18], [19], [20]。一个典型例子是 Bouligand 结构，其中天然材料中 successive 几丁质纳米纤维层以恒定螺距角旋转 [21], [22], [23], [24], [25]。Bouligand 结构主要通过层间界面的裂纹扭曲和偏转来提高韧性，迫使裂纹遵循耗散大量能量的曲折路径 [21], [22]。
然而，传统的合成 Bouligand 复合材料在每个铺层内采用直状单向纤维。在这些系统中，单个铺层内的应力传递主要沿轴向纤维方向发生，能量耗散集中在层间界面。当裂纹穿透单个铺层时，层内二次能量耗散机制的缺失会导致损伤局部化和铺层过早失效 [11], [12]。因此，Bouligand 结构的增韧效率仍然受到直纤维铺层本身固有脆性的限制。
相比之下，预捻纤维束会产生单丝螺旋排列，并通过单丝迁移、应力重新分布和界面摩擦增强纱线级韧性。扭曲纤维结构将轴向载荷转化为拉伸、扭转和弯曲变形的组合，从而促进渐进式而非灾难性失效 [26]。然而，先前的研究主要集中在孤立纱线或绳索的力学行为上，并未将扭曲束系统地整合到层压复合材料结构中 [26], [27], [28]。因此，层内单丝螺旋性与层间几何形状如何相互作用以控制层板级性能仍然不清楚。
本研究提出了一种跨尺度螺旋纤维 Bouligand (HFB) 结构，将层内单丝螺旋性与层间 Bouligand 旋转耦合 (图 1a–e)。与仅包含这些结构特征之一的传统 Bouligand 层板或扭曲纤维复合材料不同，HFB 设计在不同长度尺度上集成了两者。
螺旋单丝排列产生径向压缩并改善纤维 - 基体互锁，而 Bouligand 结构在不同取向的铺层之间重新分配载荷。组合结构减少了局部应力集中，并激活了多种增韧机制，包括裂纹偏转、纤维桥接和拔出。预捻束还在弯曲过程中提供更大的变形顺应性，这有助于延迟过早失效。
片段
结果
HFB 层板表现出显著改善的力学性能。如图所示 Fig. 1f–g，由熔体拉丝生产的玄武岩纤维 (BF) 被预捻成螺旋束，浸渍环氧树脂并固化以形成离散的螺旋纤维单元。由这些束制成的平纹织物使用分级、离轴 Bouligand 铺层组装。优化配置，捻度为 150 twists·m?1，铺层旋转角为 22.5°，实现了拉伸强度为
结论
总之，通过将预捻玄武岩纤维束与渐进旋转的层压铺层相结合，开发了一种跨尺度螺旋纤维 Bouligand (HFB) 结构。150 twists·m?1 的最佳捻度和 22.5° 的铺层角度产生了最佳的整体力学性能。优化后的 HFB 层板实现了 1368 MPa 的拉伸强度和 445 MPa 的弯曲强度，分别比预捻 0° 层板增加了 55.28% 和 66.70%，相对于预捻 0° 层板
材料
玄武岩矿石购自湖北宏杰有限公司。纤维表面处理剂为硅烷偶联剂 (OFS-6040)。基体材料为 LOCTITE? EA 9396，一种双组分环氧树脂/固化剂体系 (组分 A 和组分 B)。根据制造商的技术数据表，固化后的环氧树脂拉伸强度为 40 MPa，拉伸模量为 2.7 GPa，断裂伸长率为 4%，符合 ASTM D638 标准测量。报告的表观搭接剪切强度为 30 MPa，
CRediT 作者贡献声明
李晓：软件、方法论、调查、数据整理。刘克帅：资源、概念化。吴双：方法论、正式分析。柯贵珍：写作 – 原稿，概念化。
资金
我们感谢武汉纺织大学分析与测试中心的技术支持。本研究得到了 先进材料国家科技重大专项 (2025ZD0613501, 2025ZD0613602)、国家自然科学基金 (52533017, 52573368)、湖北省自然科学基金 编号 2026AFC0173、新型纺织材料与先进加工国家重点实验室 (武汉纺织大学，编号 FZ2025045) 的资金支持，
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
李晓 | 刘克帅 | 吴双 | 柯贵珍
