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多層級結構是生物材料的共性特征，也是自然界對材料長期優(yōu)化的結果，因而成為提升、優(yōu)化復合材料性能的重要設計策略。近幾十年力學與材料學者們努力地探究著生物材料的奧秘，從生物材料中不斷汲取“經(jīng)驗”與“智慧”用于人工材料的分析與設計，相關研究為復合材料與結構的認知以及高性能復合材料的設計積累了諸多寶貴經(jīng)驗。 
圖1：從生物材料到人工復合材料的多層級材料設計啟示
近日，北京航空航天大學航空科學與工程學院陳玉麗教授課題組、武漢大學土木建筑工程學院張作啟教授課題組、清華大學航天航空學院劉彬教授課題組受邀在國際復合材料領域知名學術期刊Composites Science and Technology發(fā)表了題為“Advances in mechanics of hierarchical compositematerials”的綜述文章，從力學的角度剖析了生物材料的多層級結構特點，總結出了自然界構造生物材料的“設計準則”，并結合纖維增強復合材料、網(wǎng)絡材料、力學超材料等典型人工材料闡述了多層級力學分析與設計方法在人工復合材料性能分析與設計中的應用。（圖 1）https://www./science/article/pii/S0266353821003262
【生物材料的多層級結構特點及“設計準則”】自然界中許多承力的生物材料都具有又強又韌的優(yōu)異力學性能，其優(yōu)異性能并非源于組分材料，而是得益于精妙的多層級結構。多層級結構是生物材料中普遍存在的一種“設計策略”，通過多個尺度的高度有序結構將有限的組分材料構筑成宏觀材料，實現(xiàn)各組分材料的協(xié)調(diào)與配合，從而賦予生物材料以優(yōu)異的力學性能。例如，動物的骨骼、肌腱、甲殼等都是由4?7級結構組織而成（圖 2）。生物材料經(jīng)過幾百萬年的進化與選擇，其結構已然接近最優(yōu)，而隱藏在這些最優(yōu)結構之后的便是大自然的智慧——自然界的“設計準則”，探究自然界的“設計準則”并用于人工材料設計無疑是促進復合材料發(fā)展的一條“捷徑”。
圖2：常見生物材料的多層級結構（密質(zhì)骨、貝殼、甲殼、竹子、肌腱、蜘蛛絲）1. 軟硬物質(zhì)的協(xié)同作用軟硬物質(zhì)相間是生物承力材料的基本構筑模式也是協(xié)同增強增韌的重要方式，而如何通過精妙的微觀結構設計“揚長避短”、充分發(fā)揮硬物質(zhì)剛強特性的同時利用軟物質(zhì)實現(xiàn)大變形和能量耗散則是其中的關鍵。生物材料中軟硬物質(zhì)相間的精妙設計主要體現(xiàn)在硬物質(zhì)排布方式和界面增強兩個方面，其中交錯排布和螺旋排布是兩種常見的排布方式。交錯排布中硬物質(zhì)負責承受拉伸載荷、軟物質(zhì)則通過剪切變形實現(xiàn)硬物質(zhì)間的載荷傳遞，軟硬物質(zhì)協(xié)同配合從而達到增強增韌的效果；螺旋結構又名Bouligand結構，其通過小角度的螺旋排布兼顧了各個方向的性能，并且在外載作用下可以通過纖維的自適應轉(zhuǎn)動實現(xiàn)更好的抗拉性能和裂紋抑制作用。此外，界面間適當?shù)臉蚵?lián)結構、納米粗糙結構、自鎖結構能夠阻止材料過早失效和裂紋擴展，從而進一步提升材料整體性能。（圖 3）
圖3：生物材料中軟硬物質(zhì)排布及增強增韌設計
2. 軟基體對力學性能的影響生物材料中的軟基體通常具有不可壓縮性、高粘性、自修復等特性，這些特性對生物材料整體的承載性能有著不可或缺的貢獻。例如，不可壓縮軟基體（泊松比接近0.5）能夠明顯提升類貝殼復合材料的抗壓性能。當復合材料承受橫向壓縮載荷時，不可壓縮軟基體會將橫向壓縮變形轉(zhuǎn)化為縱向拉伸變形，而縱向拉伸變形會受到硬材料的約束，從而顯著提升橫向壓縮剛度（類似于液壓機）。當軟基體泊松比接近0.5時，復合材料的等效楊氏模量不僅會超過Voigt近似結果，甚至還會超過硬材料自身的楊氏模量。此外，軟基體材料的高粘性、自修復性對抗沖擊性能、缺陷不敏感性等都十分重要。
3. 缺陷不敏感性設計生物承力材料通常具有缺陷不敏感特性，即少量缺陷的存在不會引起承載能力的大幅降低。研究表明當特征尺度足夠小（達到納米尺度）時，材料會表現(xiàn)出缺陷不敏感特性，即在缺陷存在前提下其強度也可以接近理論極限值。生物材料正是利用了這一規(guī)律，通過多層級結構設計將最小的微觀結構尺寸限制在納米尺度，從而使整體材料表現(xiàn)出缺陷不敏感特性。另外，梯度結構、類螺旋位錯結構等微觀結構能夠?qū)p傷和裂紋限制在特定區(qū)域，從而進一步提升整體材料的缺陷不敏感特性。4. 自然界的“設計準則”通過以上對生物材料多層級結構的剖析，可以總結出如下四條自然界的“設計準則”：- 多層級結構設計是提升復合材料性能的有效策略——多層級結構可以將納米尺度材料的優(yōu)異性能有效地傳遞到宏觀尺度，而且可以極大地擴展材料的設計域。
- “積木塊”式結構是一種實用且極具潛力的多層級結構構筑模式——“積木塊”式結構能夠簡化多層級結構設計且便于組裝，是實現(xiàn)多尺度多層級設計的有效途徑，當最小“積木塊”尺寸達到納米尺度時，材料的強度和缺陷不敏感性會顯著提升。
- 微觀結構的理性設計是每個層級設計的關鍵——合理的微觀結構設計能夠巧妙地引導載荷的分布和傳遞，從而使各組分材料“揚長避短、協(xié)同工作”，生物材料中的磚泥結構、螺旋結構、梯度結構等都可以作為人工復合材料微觀結構的“設計庫”。
- 軟基體材料是提升抗壓、抗沖擊等性能的重要因素——不可壓縮性、高粘性軟基體材料能夠大幅提升復合材料的力學性能，尤其是抗壓性能、抗沖擊性能、應力波衰減性能等。
【人工復合材料的多層級力學性能分析與結構設計】上述關于生物材料多層級結構的分析，可以通過如下兩個方面啟發(fā)人工材料的研究：1）多層級是一種復合材料的設計概念，能夠?qū)⒓{米尺度材料的優(yōu)異性能有效地傳遞到宏觀尺度；2）多層級也是一種分析范式，對于跨越多個尺度的復雜材料系統(tǒng)有必要采用多層級思想予以建模分析。隨著納米技術的發(fā)展，人工材料種類日益漸多、結構也日趨復雜，多層級的設計概念和分析范式在人工材料中的應用也越發(fā)重要。
1. 纖維增強復合材料：強度和韌性的多層級優(yōu)化分析纖維增強復合材料（FRCs）是航空航天、能源汽車等領域應用十分廣泛的一類輕質(zhì)高強復合材料。目前傳統(tǒng)FRCs面臨的最大難題是增強和增韌之間的“矛盾抉擇”，而多層級方法的應用能夠調(diào)節(jié)兩者間的“矛盾”、實現(xiàn)力學性能的最優(yōu)化。一方面，多層級分析方法可以用于現(xiàn)有FRCs的優(yōu)化分析。例如，圖 4(a)所示的三層級失效分析模型能夠有效地分析短纖維的橋聯(lián)增韌效果，圖 4(b)所示的纖維束模型能夠建立層級數(shù)目、尺寸參數(shù)對于螺旋纖維性能的影響，圖 4(c)所示的多層級損傷模型能夠較好地描述多層自相似纖維橋聯(lián)結構的損傷特性。這些多層級模型能夠更加準確有效地建立微觀結構參數(shù)與宏觀力學性能之間的關系，進而實現(xiàn)相應力學性能的優(yōu)化設計。另一方面，傳統(tǒng)FRCs應當引入更多的層級結構。生物多層級結構表明納米尺度的有序結構對于復合材料增韌而言是十分必要的，而目前多數(shù)FRCs僅有兩個層級且最小層級在微米尺度，因此有必要對其結構的層級進行擴展。如圖 5所示，在層合板層級可以引入編織結構、螺旋結構、層間納米結構等，在纖維/纖維束胞元層級可以引入納米結構界面、納米增強基體、多層級纖維束等，從而將其最小結構的特征尺度將至納米尺度，進而結合多層級分析模型進行優(yōu)化設計。
圖5：傳統(tǒng)纖維增強復合材料層級結構的擴展2. 網(wǎng)絡材料：納米-宏觀性能傳遞的多層級設計多層級結構的目的在于將材料在納米尺度的優(yōu)異性能傳遞到宏觀尺度，而網(wǎng)絡結構便是人工材料中目前最為常用且有效的納米-宏觀尺度性能傳遞結構之一。網(wǎng)絡結構是指由纖維或纖維束按照一定分布規(guī)律構成的網(wǎng)狀結構，其中最具代表性是碳納米管（CNT）網(wǎng)絡，又名巴基紙，結構如圖 6所示。與巴基紙類似，網(wǎng)絡結構能夠有效地實現(xiàn)不同尺度間的性能傳遞，因此通常具有優(yōu)異的力電熱性能。然而其性能的優(yōu)異與微觀結構密不可分，其中影響其力學性能主要因素有纖維間相互作用、纖維分布規(guī)律和離散多孔特點。若不加額外處理，常見網(wǎng)絡結構纖維間的作用為范德華作用、物理團聚等非鍵作用，這種方式制備簡單，但是纖維間作用太弱不能充分發(fā)揮纖維材料的優(yōu)異力學性能。為了提升網(wǎng)絡材料的力學性能，可以通過適當增加黏合劑、化學鍵作用等方式增強纖維間的相互作用。（圖 7A）纖維的隨機分布規(guī)律對網(wǎng)絡結構的力學和電學性能具有重要的影響。如圖 7B所示，對于隨機分布網(wǎng)絡結構，其拉伸性能、導電性能隨著網(wǎng)絡密度的變化存在三個閾值，依次是導電閾值、剛度閾值、彎-拉轉(zhuǎn)變閾值。導電閾值代表著能否導電，剛度閾值代表著能否承載，而彎-拉轉(zhuǎn)變閾值代表著能否有效承載。閾值現(xiàn)象是隨機網(wǎng)絡結構的內(nèi)稟特征，在網(wǎng)絡結構相關的多層級分析與設計中需予以考慮。網(wǎng)絡結構的離散多孔特點使得其力學性能有別于傳統(tǒng)連續(xù)板，例如其面外剛度與面內(nèi)剛度的關系不同于連續(xù)板理論，而是表現(xiàn)出與剛度閾值有關的非經(jīng)典關系（圖 7C）。因此，利用連續(xù)介質(zhì)力學的經(jīng)典結論分析具有離散和隨機特性的多層級結構時，需要進行適當?shù)尿炞C或修正。
圖7：結構參數(shù)對網(wǎng)絡結構力學性能的影響3. 力學超材料：超常性能的多層級設計力學超材料是近些年發(fā)展起來的一類新型多層級結構材料，旨在通過巧妙的微結構設計實現(xiàn)一些其組分材料不具備的超常力學性能，是人工（復合）材料發(fā)展的新方向。與許多生物材料類似，力學超材料通常是由一些基本的“積木塊”（胞元）構成，如何設計“積木塊”、如何構建多層級結構便成了力學超材料的設計關鍵。與生物材料的微結構類似，力學超材料“積木塊”的設計也突出一個“理性”。力學超材料的超常性能通常是通過“積木塊”的巧妙結構實現(xiàn)的，例如圖 8(A.b)所示的胞元結構，當受到z方向的拉伸載荷時，z方向立柱會“推動”斜柱，從而使得橫向“膨脹”，即宏觀表現(xiàn)為拉脹特性（負泊松比）。目前，學者們已經(jīng)基于晶胞結構、雙/多穩(wěn)態(tài)結構、折/剪紙結構提出了許多具有超常性能的力學超材料“積木塊”，為超材料設計提供了豐富的素材。（圖 8）“積木塊”的組裝方式對于力學超材料也十分關鍵，巧妙的組裝方式能夠?qū)崿F(xiàn)“1+1>2”，反之不當?shù)慕M裝方式會削弱胞元的超常性能。目前最常見的組裝方式是周期延拓（圖 9A），在周期延拓的基礎上可以引入梯度設計（圖 9B），還可通過自相似結構實現(xiàn)多層級的組裝（圖 9C）。此外，最近提出的“單元-模塊-陣列”的陣列式組裝，解耦了模塊間的約束使得模塊可以自由變形，從而能夠有效地應對沖擊載荷，并且可以實現(xiàn)力學性能可編程、力學性能定制化設計等超常力學性能。
【多層級復合材料力學面臨的挑戰(zhàn)】盡管過去的幾十年多層級復合材料得到了長足的發(fā)展，但目前仍面臨著許多挑戰(zhàn)：- 設計更為精巧且易加工的微觀結構——目前人工材料中能夠?qū)崿F(xiàn)的微觀結構的精細程度遠不及生物材料，限制了材料性能的進一步提升，為此有必要結合先進制造技術設計出一系列更為精巧且易加工的微觀結構。
- 發(fā)展協(xié)同多尺度計算模型——多尺度力學模型是分析優(yōu)化多層級復合材料的關鍵，盡管目前已有一些多層級的理論和數(shù)值模型得到了應用，但大多數(shù)都是自下而上的方法，無法考慮多個尺度之間的協(xié)同作用，因此有必要發(fā)展協(xié)同多尺度計算模型。
- 深入探究亞微米尺度的力學機理——在整個多層級、多尺度分析與設計中，宏觀、細觀尺度問題可以通過連續(xù)介質(zhì)力學方法予以分析，納米尺度可以通過分子動力學、第一性原理計算等方法進行研究，因此宏觀和納米尺度的問題研究相對比較深入；然而在亞微米尺度（~100 nm 到 ~1 mm），研究手段有待完善，許多力學機理有待深入研究。
- 完善多功能結構一體化設計——多層級復合材料除了具有優(yōu)異的力學性能外，還具有便于多功能集成的優(yōu)勢；如何將諸多功能特性融合到多層級結構的設計中，是多功能一體化設計的關鍵問題，也是未來需要著重研究的方向。
- 發(fā)展基于人工智能的設計與優(yōu)化方法——多層級復合材料優(yōu)化參數(shù)遠多于常規(guī)材料的優(yōu)化參數(shù)，所以基于目前的理論或數(shù)值方法很難實現(xiàn)準確全面的優(yōu)化設計；因此可以結合機器學習等人工智能技術發(fā)展設計與優(yōu)化方法，對現(xiàn)有結構進行優(yōu)化或設計新的結構。
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