3D打印仿鳳凰螺材料內部損傷修復的特點，對由纖維增強的材料的修復具有積極意義。隨著科學技術的進步，在智能裝備制造領域對輕量化結構材料提出了更高的需求。受天然鳳凰螺內部精細的微觀交叉疊層結構的啟發，研究人員通過模仿其內部微觀結構制備出力學性能優異的人工交叉疊層結構復合材料。同時，因其具備中強高韌的特點，在航空航天以及裝甲防護類領域有著更加廣闊的應用價值。

短碳纖維增強的尼龍基復合材料作為原材料，通過3D打印的方法制備了仿生交叉疊層結構材料。結合實驗和理論分析對其強韌化機理進行研究，并提出相關的優化設計方案。后通過對短/長碳纖維增強的復合材料的修復功能進行研究，得到微波修復與熱修復的作用機制。

一、主要研究內容與結果

（一）交叉疊層結構樣品制備與測試

受鳳凰螺殼體結構中交叉疊層結構的啟發，以短碳纖維增強的尼龍基復合材料作為原材料，通過3D打印的方法首先制備了層間夾角分別為0°、20°、40°、60°和90°的交叉疊層結構樣品，并對制備得到的樣品進行準靜態拉伸測試。

測試結果表明，交叉疊層結構的承載能力與其層間夾角密切相關。隨著層間夾角的增加，結構的強度逐漸降低，而能量吸收先降低后升高，然后再繼續降低。

（二）理論分析與有限元數值模擬

通過理論分析表明，交叉疊層結構的破壞主要由其層內的三種應力分量引起。通過對交叉疊層結構進行有限元數值模擬，結果表明，交叉疊層結構在拉伸載荷作用下，層間應力與層內的三種應力分量的數值相比較小。而掃描電鏡對層間的斷面的表征結果同樣發現，靠高分子粘結形成的層間界面并沒有在載荷作用下破壞。

對交叉疊層結構的層內三種應力分量分析可得，樣品強度趨勢在一定角度范圍內與測試結果并不相同，因此后續補充了層間夾角為10°、30°、45°和75°的交叉疊層樣品。

（三）補充樣品測試與結果分析

測試結果表明，在一定的小角度范圍內，交叉疊層結構的樣品強度隨層間夾角的增大而降低，能量吸收也逐漸降低。而隨著層間夾角的進一步增大，樣品的強度又逐漸上升，能量吸收也突然增大，層間夾角繼續增大，強度和能量吸收又逐漸降低，這與交叉疊層結構的層間夾角密切相關。

層間夾角的區別會導致同一層內的軟硬相物質以及界面處應力分布不同，從而影響樣品的承載能力和吸能特性。而強度和能量吸收能夠在一定角度范圍內提升，是由于仿生交叉疊層結構在載荷作用下出現內部自適應調整，使得層內的應力分布進行了重新調整，從而可以顯著提高結構的強度和韌性，最終進一步提高材料的性能。此外，多種失效形式的共同存在對結構的強度和韌性也有很大影響。

通過對仿生交叉疊層結構的層間夾角進行優化，可以得到與上述兩種情況的材料體系相匹配的結構，從而充分發揮材料的性能。

（四）熱修復與微波修復機理研究

工作對輕質結構材料的設計和性能優化具有積極意義，有望在航空航天、新能源等領域得到應用。同時制備了具有由短/長纖維增強的仿生交叉疊層結構樣品，并分別對其熱修復和微波修復機理進行相關研究。

熱修復和微波修復對彎曲載荷作用下產生的損傷都有較好的修復效果。其中短纖維增強的仿生交叉疊層結構中，熱修復使其性能獲得了提高，并且在多次的彎曲損傷后仍有較好的修復效果。但是當修復次數增加時，材料的氧化以及老化會使其韌性降低，塑性增強。修復過程中的熱場分布顯示，熱修復的修復作用是針對整體結構，而微波修復過程更具有針對性，在損傷部位產生的熱量較多。

長碳纖維增強的復合材料結構的熱修復和微波修復的效果相差不大，都有一定程度上的效果。修復過程中的熱場分布顯示，微波修復的作用區域更加集中，主要集中在彎曲過程中產生損傷的部位。因此，對于纖維增強結構材料而言，微波修復更具有針對性，同時修復時間短，因此有著更廣闊的應用前景。

二、研究方法總結

3D打印仿鳳凰螺材料內部損傷自修復的特點，對由纖維增強的材料的修復具有積極意義。從女王鳳凰螺的殼體的交叉疊層結構中受到啟發，利用單絲打印的短碳纖維增強的尼龍基復合材料制備具有不同層間夾角的仿生交叉疊層結構樣品。采用準靜態拉伸的測試方法以及理論分析、有限元數值模擬的方法分析了層間夾角對結構的增強增韌機制的影響，并提出了相關的優化設計方案。后續對短碳纖維和長碳纖維增強的仿生交叉疊層結構樣品的自修復功能進行研究。

三、未來研究方向

接下來的研究工作還可以從以下幾個方面進行深入的研究分析：

1. 主要研究了鳳凰螺結構中的一級結構在準靜態拉伸載荷作用下的強韌機理和損傷破壞機制，今后可開展相應的仿生交叉疊層結構在動態載荷下的動力學響應。
2. 在對仿生鳳凰螺交叉疊層結構進行有限元數值模擬分析中，分析了線彈性范圍內的應力分布，后續可以通過加入cohesive單元來模擬加載過程中結構內部裂紋產生以及擴展的過程，來更直觀展現微觀增韌的力學機制。
3. 3D打印鳳凰螺材料內部損傷的修復機制，今后可以通過模擬方法研究修復過程中的碳纖維與基體間的變化，對斷面形貌表征也可以獲得更為直觀的修復特征。

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