复合材料层合板结构通过预浸料按照不同铺层角度铺设后热压成型,具有比强度高、比模量高、轻质以及可设计性强等优点,在航空航天、船舶、军事装备、民用领域等方面应用广泛[1]。高校中工科专业如力学、材料等已经在本科生和研究生课程中开设了复合材料力学课程,旨在使学生对复合材料体系有更多了解,培养学生复合材料的设计理念。其中,将仿生复合材料微结构设计思路应用到复合材料设计中是笔者重点关注的方向,也是笔者想在课堂上向学生传达的新颖的设计理念。
1 龙虾钳生物螺旋微结构
研究人员在美国龙虾的虾钳表皮结构中发现了周期性螺旋结构[2-4],而周期性螺旋结构正是耗能和抗冲击的关键结构,如图1所示,这种生物基纳米复合材料最显著的特征是它具有严格不同尺度等级的螺旋结构。在分子水平是高聚物分子链,通过反对称排列形成$\alpha$链晶体,很多$\alpha$链晶体形成长链排列结构,尺度在3 nm 左右,并进一步形成100~200 nm尺度的$\alpha$几丁质纤维蛋白质结构,而大量纤维排列形成的螺旋结构,尺度在10 $\mu$m左右,最后形成宏观的表皮结构,这些$\alpha$几丁质纤维板材堆叠起来,每层根据下一层的角度再旋转一个小角度,最终完成180$^\circ$旋转。通过扫描电子显微镜的仔细观察发现了每个层合区域呈现出特征性的嵌套弧模式。前人已经详细描述了这种结构[5-8],揭示了嵌套的弧形外观是某种光学错觉,是由排列的光纤层的螺旋形堆叠造成的,因此通常把这种典型的螺旋堆叠结构称为Bouligand 结构。通过对各种甲壳类动物物种的实验和模拟,在一系列长度尺度上检验了这种层次设计产生的结构与功能关系。在连续层之间有一个小的旋转角时,螺旋状复合材料在宏观尺度上对平面内载荷表现出各向同性响应[9-12]。此外,旋转的结构在拉伸加载时可以提高生物复合材料的韧性,并使片层重新定向以适应加载条件,从而抵抗变形[13-14]。
图1
因此,在生物力学与复合材料结构设计课堂上,向同学们展示龙虾表皮中的螺旋微结构的独特性能是主要教学目标;鼓励学生在课堂上通过碳纤维预浸料对龙虾表皮的螺旋微结构进行复现,然后固化成型后进行力学实验表征。此举不仅让学生知道什么是螺旋结构,还促使学生思考什么是仿生设计：即从大自然中获取灵感,并应用于实际工程应用中,来获取更优异的力学性能。这便是这堂课的内核所在。
2 传统预浸料裁剪方式的弊端
在复合材料力学课程中的实验设计课堂中,为了培养学生们对复合材料层合板自主设计能力,给学生提供相同的材料体系、相同的外载状况,要求同学们优化铺层策略：包括铺层顺序、铺层角度、铺层厚度等参数,通过力学表征,角逐出力学性能最好的复合材料结构设计方案。但是在铺附不同纤维角度的预浸料时,同学们往往面临铺层角度不准确的情况。原有的改变铺层角度的方案是通过在原有单向纤维铺层预浸料中标记出所需角度的待裁剪区域,如图2(a)(c)所示,按照红色虚线走向裁剪成指定形状,如图2(b)(d)所示。这种传统的非0$^\circ$非90$^\circ$的裁剪方式在工业生产中应用广泛,通过激光定位裁剪,可以保证较为精确的角度精度。但在复合材料力学实验课堂设计中,这种方法最大的弊端在于,学生们很难保证裁剪出来的角度与实际设计的角度一致。因此,基于此考虑,笔者自主设计了一个复合材料铺设自动旋转平台,为复合材料变角度铺设提供了精度保证,也给同学们提供了更加自动、便捷以及可靠的铺设条件。
图2
3 自制教具：仿生螺旋结构旋转平台设计
图3
自制教具——旋转平台装置,成本低廉,操作简单,而且预浸料铺设位置和铺设角度可控,精度较高。弥补了目前碳纤维预浸料铺设方法和设备在两个极端之间的空缺,也为学生们在复合材料力学实验课堂设计中提供了优良的操作条件。
4 自制教具：仿生螺旋结构旋转平台操作步骤
笔者采用了连续纤维增强树脂的单向预浸料,其铺设方法包括：首先根据所铺设的预浸料尺寸调整卡板组件的位置,便于铺设时铺设边界的定位。按照卡板组件指示边界铺设第一张预浸料。根据铺设需求旋转手柄使工作面板转过指定角度。用手旋转手柄,手柄带动蜗杆旋转,蜗杆与蜗轮啮合带动涡轮旋转,蜗轮与轴通过键传动带动轴旋转,轴与连接板工作面板通过螺栓固定,一同旋转。在工作面板上面有刻度,通过指针可较精确地控制工作面板转过的角度。按照卡板组件指示边界铺设第二张预浸料,直至达到所需铺设层数。进一步,通过指针对工作面板转过的角度进行标记,通过卡板组件对碳纤维预浸料的铺设位置进行标记,铺设预浸料时,方便操作人员观察以确定预浸料铺设角度和位置,提高铺设的角度和位置精度,课堂上使用旋转平台铺设不同角度预浸料的过程如图4所示。此外,对本教具来说,可进行个性化设计的参数主要有两个,一是每一层的铺层角度,二是铺层厚度。
图4
5 总结
结合仿生学概念,旨在使学生对复合材料体系有更多了解,培养学生复合材料的设计理念。本文提出了一种预浸料自动铺设仿龙虾钳表皮螺旋微结构设计平台;该教具为学生们新颖的仿生螺旋设计思路提供便捷高效制备的途径,同时克服了传统课堂上裁剪方式导致铺层角度不准确的弊端。此外,该仿生实验课堂设计更是向学生传达了一种新颖的复合材料微结构设计理念,即将经过自然选择优胜后的微结构应用到人工设计的结构中,用来突破现有结构的性能瓶颈。此外,这种设计灵感是大自然赋予我们的,一定是有效和丰富的。
参考文献
Revealing the design principles of high-performance biological composites using ab initio and multiscale simulations: the example of lobster cuticle
Microtexture and chitin/calcite orientation relationship in the mineralized exoskeleton of the American lobster
Crustacean-derived biomimetic components and nanostructured composites
Over millions of years, the crustacean exoskeleton has evolved into a rigid, tough, and complex cuticle that is used for structural support, mobility, protection of vital organs, and defense against predation. The crustacean cuticle is characterized by a hierarchically arranged chitin fiber scaffold, mineralized predominately by calcium carbonate and/or calcium phosphate. The structural organization of the mineral and organic within the cuticle occurs over multiple length scales, resulting in a strong and tough biological composite. Here, the ultrastructural details observed in three species of crustacean are reviewed: the American lobster (Homarus americanus), the edible crab (Cancer pagurus), and the peacock mantis shrimp (Odontodactylus scyllarus). The Review concludes with a discussion of recent advances in the development of biomimetics with controlled organic scaffolding, mineralization, and the construction of nanoscale composites, inspired by the organization and formation of the crustacean cuticle. © 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
Twisted fibrous arrangements in biological materials and cholesteric mesophases
Bio-inspired impact-resistant composites
Dependence of fracture toughness of composite laminates on interface ply orientations and delamination growth direction
Helicoidal composites
Crustacean-inspired helicoidal laminates
Mechanical behavior of bio-inspired laminated composites
Ultra-thin-ply CFRP Bouligand bio-inspired structures with enhanced load-bearing capacity, delayed catastrophic failure and high energy dissipation capability
Realising bio-inspired impact damage-tolerant thin-ply CFRP Bouligand structures via promoting diffused sub-critical helicoidal damage
Revealing the mechanics of helicoidal composites through additive manufacturing and beetle developmental stage analysis
